Simulação físico-química e análise para o desenvolvimento de dispositivos microfluídicos 3D

Resumo

A miniaturização e o fluxo laminar nos Lab-On-a-Chip (LOC) permitem um melhor controle do processo, reduzindo o consumo de reagentes e o tempo de análise. Portanto, estes possuem uma destacada aplicação em dispositivos de análise química e biológica. Uma importante etapa dos sistemas LOC é o controle de processos com troca de calor, sistemas multifásicos e reações químicas em microdispositivos (ex. micromisturadores e microtrocadores de calor). Para o projeto, planeamento e fabricação de dispositivos microfluídicos, são usados métodos analíticos e numéricos. No entanto, estes são normalmente limitados pela necessidade de alta resolução geométrica e escalas de tempo complexa, devido aos fenômenos físicos envolvidos. Assim, os métodos lagrangianos sem malha se tem destacado como uma nova alternativa para simulação de LOC com escoamento de fluidos, emulsões e gotas/bolhas. Esses métodos permitem integrar naturalmente as características multiescalares e multifísicas da escala micro e nano no fluido, em fenômenos tais como, troca de calor, capilaridade, interações multifásicos, reação-difusão e advecção. Além disso, os métodos sem malha são facilmente implementados para uso de processamento computacional em paralelo, diminuindo o custo computacional. Uma alternativa para processamento computacional são as ferramentas de programação paralela em placas gráficas de uso geral (General Purpose Graphics Processing - GPGPU) marca NVIDIA. Logo, o objetivo deste trabalho é desenvolver numericamente a implementação do método sem malha para simular casos com interação de diferentes líquidos e gases na presença de processos físicos-químicos, em dispositivos microfluídicos em três dimensões (3D). O simulador será validado usando resultados analíticos e experimentais. O software resultante terá programação paralela em GPGPU através da linguagem CUDA-C. Finalmente, um simulador específico para dispositivos microfluídicos será desenvolvido, e protótipos para sua validação e estudo serão fabricados no Instituto de Pesquisas Tecnológicas (IPT), para a análise de processos físico-química em dispositivos microfluídicos 3D. (AU)