Towards computational modeling of electrohydrodynamics in microfluidics-based manufacturing

Abstract

(English) The high precision controllability and versatility of Electrohydrodynamic (EHD) processes are enabling and accelerating the development of novel microfluidic-based manufacturing techniques. This technology relies on fluid manipulation by an electric field, which gives rise to EHD-flow patterns that can be adapted for manufacturing either particles or fibers. EHD-based manufacturing is increasingly popular for specialized applications due to its ability to tailor various materials with desired morphology at the micro and nano scales. To optimize the performance of this advanced manufacturing process, extensive experimental studies have been conducted, and numerical simulations have been developed to predict and analyze the behavior of EHD-flows. This thesis focuses on the use of Computational Fluid Dynamics (CFD), specifically the finite volume/volume-of-fluid and enriched finite element/level-set approaches, to model the EHD-flows. The interfacial effects present in the EHD problems are represented as volumetric and interfacial forces in the first and second approaches, respectively. The first scheme is validated through comparisons with experimental data for the deformation of a liquid meniscus under the influence of an electric field. The method is then applied to investigate the effects of the flow rate and electric field in the formation of EHD-flow patterns for manufacturing spherical particles. Additionally, the study provides a guideline to estimate the onset voltage in advanced manufacturing based on EHD. This methodology is applied for manufacturing nanocomposites electrospun fibers. The second approach for modeling the EHD-flows is based on enriching the solution space of the standard finite element method. This approach accurately captures weak and strong pressure discontinuities, as well as the weak electric potential discontinuity that characterizes the EHD phenomena at the fluid interface, without increasing the number of degrees-of-freedom. As a result, this formulation can represent the interface deformation of EHD-flows accurately without incurring into excessive interfacial meshes and is used for the first time to model EHD problems. The approach is rigorously validated using existing literature on the EHD deformation of a suspended droplet, with notably accurate results achieved on rather coarse meshes, which is not feasible with the former approaches. The approach is also used to study a three-dimensional (3D) case that does not exhibit symmetry of revolution, revealing a scarcely studied mechanism for manipulating the shape of droplets as desired. The present thesis provides a basis for advances in the numerical modeling of EHD phenomena. It also offers a guideline to forecast EHD-flow patterns that are suitable for manufacturing particles and fibers. The findings of this study can be leveraged to address the challenges associated with EHD phenomena and improve manufacturing processes that rely on EHD-flows.

(Español) La alta precisión, controlabilidad y versatilidad de la ElectroHidroDinámica (EHD) están permitiendo y acelerando el desarrollo de nuevas técnicas de fabricación en microfluídica. Esta tecnología se basa en la manipulación de fluidos mediante un campo eléctrico, lo que da lugar a patrones de flujo-EHD que se pueden adaptar para fabricar partículas o fibras. En este sentido, la fabricación basada en EHD es cada vez más popular para aplicaciones especializadas debido a su capacidad de adaptar diversos materiales con una morfología deasea a escalas micro y nano. Para optimizar el rendimiento de los procesos de fabricación basados en EHD, se han llevado a cabo extensos estudios experimentales y simulaciones numéricas para predecir y analizar el comportamiento de los flujos impulsados por campos eléctricos.

Esta tesis se enfoca en el uso de la Dinámica de Fluidos Computacional, específicamente los enfoques de volumen finito/volumen-de-fluido (en inglés finite volume/volume-of-fluid) y elemento finito enriquecido/level-set (en inglés enriched finite element/level-set), para modelar flujos EHD. Los efectos de EHD en la interfase fluido-fluido se representan como fuerzas de cuerpo y superficiales en el primer y segundo enfoque, respectivamente. El primer esquema se valida mediante comparaciones con datos experimentales para la deformación de un menisco bajo la influencia de un campo eléctrico. Este método numérico se aplica para investigar los efectos del caudal y el campo eléctrico que afectan la formación de patrones de flujo EHD para la producción de partículas esféricas. Además, el estudio proporciona una guía para estimar el voltaje de inicio en la fabricación basada en EHD. Las misma que se aplica para la fabricación de nanocompuestos de fibras electrohiladas. El segundo enfoque para modelar los flujos EHD se basa en enriquecer el espacio de solución de un de elemento finito estándar. Este método captura con precisión las discontinuidades débil y fuerte en la presíon, así como la discontinuidad débil en el potencial eléctrico que caracteriza a los fenómenos EHD en la interfase del fluido, sin aumentar el número de grados de libertad. Como resultado, esta formulación puede representar con precisión la deformación de la interfaz de los flujos EHD y se ha utilizado por primera vez para modelar problemas EHD. El enfoque se valida rigurosamente utilizando la literatura existente sobre la deformación EHD de una gota suspendida, con resultados notablemente precisos logrados en mallas bastante gruesas, lo que no es factible con los enfoques anteriores. El enfoque también se utiliza para estudiar un caso tridimensional (3D) que no presenta simetría de revolución, revelando un mecanismo poco estudiado para manipular la forma de las gotas

La presente tesis proporciona una base para los avances en el modelado numérico de los fenómenos EHD. Ofrece una directriz para pronosticar los patrones de flujo EHD adecuados para la fabricación de partículas y fibras. Los resultados de este trabajo se pueden aprovechar para abordar los desafíos asociados con los fenómenos EHD y mejorar los procesos de fabricación que dependen de los flujos EHD.