Desarrollo y validación de una metodología basada en OPENFOAM para la simulación en dispositivos por volúmenes finitos de mezcladores en dispositivos LAB on a CHIP

Abstract

En el presente trabajo de tesis se desarrolla y valida una metodología para la simulación del comportamiento de fluidos en estructuras de dispositivos Lab-On-a-Chip (LOC) para microfluídica haciendo uso del paquete computacional de código abierto OpenFOAM® por medio del script basado en el método SIMPLE. El primer LOC tiene un mezclador en Y simple de 0.375 mm2 de área transversal y el segundo es un mezclador caótico en Y con un área similar al anterior. Para validar la simulación, se fabricaron los dispositivos LOC, imprimiendo los diseños con una impresora 3D fotolitográfica Anycubic Photon 2k LCD. Así mismo, se desarrolló un equipo de control de flujo utilizando un microcontrolador y otro de toma de imágenes para caracterizar experimentalmente la mezcla en los dispositivos LOC. Se inyectaron flujos de 0.025 mm/s, 0.050 mm/s y 0.075 mm/s, tanto en la simulación con OpenFOAM y en los dispositivos reales. A través del procesamiento digital de imágenes, se calculó la desviación estándar en MATLAB y Python para hallar una correlación en la mezcla. Se encontró que, para todos los flujos inyectados, la estructura del mezclador caótico permitió una mezcla total de los dos líquidos de entrada dentro del LOC. Y en el mezclador con estructura simple solo obtuvo una mezcla parcial, observándose flujo laminar hasta la salida de la estructura.

This thesis work develops and validates a methodology for the simulation of fluid behaviour in Lab-On-a-Chip (LOC) device structures for microfluidics using the open source computational package OpenFOAM by means of a script based on the SIMPLE method. The CAD design of two LOC devices for microfluidics was carried out. The first LOC has a simple structure mixer with a cross-sectional area of 0.375 mm2 and the second one is a chaotic mixer with a similar area to the previous one. To validate the simulation, the LOC devices were fabricated by printing the designs with an Anycubic Photon 2k LCD photolithographic 3D printer. In addition, a flow control unit was developed using a microcontroller and an image acquisition unit to experimentally characterise the mixture in the LOC devices. Flows of 0.025 mm/s, 0.050 mm/s and 0.075 mm/s were injected both in the OpenFOAM simulation and in the real devices. Through digital image processing, the standard deviation was calculated in MATLAB and Python to find a correlation in the mixture. It was found that for all flows, the chaotic mixer structure allowed a total mixing of the two input liquids within the LOC. And in the mixer with simple structure only partial mixing was obtained, observing laminar flow up to the exit of the structure.