Fluid Mechanics for Biomedical Applications: Weakly Viscoelastic Electrospray, Flow Focusing and Collapsible Channel Models

Description

En esta tesis se abordan tres temas de investigación diferentes: i) electrospray débilmente viscoelástico, ii) la aparición del efecto whipping en la técnica de Flow Focusing, y iii) la interacción fluido-estructura (FSI) implementando un modelo de canal colapsable 2D. i) Se ha realizado una comparación sistemática y teórica entre un fluido newtoniano y uno no newtoniano modelado mediante un modelo Oldroyd-B, lo que ha permitido comprender mejor cómo las propiedades de este tipo de material influyen en aspectos como la contracción del menisco, la concordancia con un modelo de esbeltez (slenderness) 1D o el valor mínimo de la tasa de flujo que define la frontera entre el electrospray y el electrospinning. ii) Para poder utilizar el Flow Focusing en algunas aplicaciones (por ejemplo, el XFEL), deben evitarse las oscilaciones caóticas en el chorro, conocidas como whipping. Se obtuvo un mapa de estabilidad para los modos axisimétrico y de perturbación lateral y se comparó con datos experimentales anteriores, examinando el efecto de diferentes geometrías de boquillas en la aparición del efecto whipping y en la frontera física de la configuración de jetting-to-dripping. iii) En el último artículo, el modelo implementado superó algunas limitaciones presentadas en otros modelos de canales colapsables 2D, lo que llevó al análisis de estabilidad global del sistema utilizando un espesor de membrana no despreciable y grandes deformaciones en el segmento de pared flexible. Se investigó la multiplicidad de soluciones y sus folding-points, así como la cuantificación del efecto de parámetros físicos como el grosor de la pared y los valores de inercia en la aparición self-excited oscillations.

Abstract

Three different research topics are discussed in this thesis: i) weakly-viscoelastic electrospray, ii) the emergence of whipping effect on the Flow Focusing technique, and iii) fluid-structure interaction (FSI) phenomena implementing a 2D collapsible channel model. i) A systematic, theoretical comparison of a Newtonian fluid, and a non-Newtonian one modelled using an Oldroyd-B model was performed, resulting in a better understanding of how the properties of this type of material influence aspects such as meniscus shrinking, the agreement with a 1D-slenderness model, or the minimum flow rate value defining the boundary between electrospray and electrospinning. ii) In order to use Flow Focusing for some applications (e.g. XFEL), chaotic oscillations on the jet, known as whipping, must be avoided. A stability map for axisymmetric and lateral perturbation modes was obtained and compared to previous experimental data, examining the effect of different nozzle geometries on the emergence of the whipping effect and jetting-to-dripping configuration physical boundary. iii) In the last paper, the implemented model overcame some limitations presented in other 2D collapsible channel models, leading to analysis using a non-negligible membrane thickness and large deformations on the flexible wall segment. The multiplicity of solutions and their folding points, and the quantification of the effect of physical parameters such as wall thickness and inertia values on the emergence of self-excited oscillations were investigated.

Additional details