Computational fluid dynamics (CFD) simulations applied to the design of passive mixing microfluidic systems

Abstract

Las simulaciones de dinámica de fluidos computacional de microfluidos y microsistemas permiten diseñar y probar rápidamente el rendimiento de múltiples prototipos identificando las variables que más impactan en la eficiencia del dispositivo para una tarea en particular. Este trabajo tuvo como objetivo implementar simulaciones multifísicas para ayudar a prototipar dos sistemas de microfluidos diferentes para mezcla pasiva. Primero, un microsistema de bajo costo para la síntesis de nanopartículas de magnetita mediante coprecipitación química. En segundo lugar, un microrreactor toroidal para llevar a cabo la degradación continúa de tintes en aguas residuales basada en enzimas, utilizando nanopartículas magnéticas. Las simulaciones mostraron diferentes cambios en los perfiles de velocidad, la tasa de corte y la mezcla homogénea en cada dispositivo probado. Estas variaciones en el comportamiento del fluido pueden mejorar la formación de nanopartículas controlando su crecimiento. Así mismo, el microsistema toroidal, con la implementación de un campo magnético permanente, aumenta el tiempo de retención de las nanopartículas en el dispositivo, aumentando la interacción y el tratamiento de las aguas residuales. El uso de herramientas computacionales permite determinar de manera rápida y económica el impacto de los cambios en la configuración geométrica de los sistemas en su desempeño general.

Computational Fluid Dynamics CFD simulations of microfluidics and microsystems allow to rapidly design and test the performance of multiple prototypes by identifying the variables that impact the most the efficiency of the device for a particular task. This work aimed at implementing multiphysics simulations for helping to prototype two different microfluidic systems for passive mixing. First, a low-cost microsystem for the synthesis of magnetite nanoparticles via chemical co-precipitation. Second, a toroidal microreactor to conduct the continuous enzyme-based degradation of dyes in wastewater using magnetic nanoparticles. The simulations show different changes in velocity profiles, shear rate, and homogeneous mixing in each device tested. These variations in the behavior of the fluid can improve the formation of nanoparticles by controlling their growth. Likewise, the torus microsystem, with the implementation of a permanent magnetic field, increases the retention time of the nanoparticles in the device, increasing the interaction and treatment of the wastewater. The use of computational tools allows to quickly and economically determine the impact of changes in the geometrical configuration of the systems on their overall performance.