Esta dissertação teve como objetivo principal a implementação e validação de modelos de escoamentos bifásicos com mudança de fase em condensadores de microcanais para aplicação em bombas de calor, procurando a minimização do seu volume interno, para uma dada permuta térmica, utilizando propano como fluido frigorigéneo. Inicialmente, previa-se a simulação do condensador na sua totalidade através de modelação CFD (Computational Fluid Dynamics), recorrendo ao software Ansys Fluent. Contudo, várias limitações técnicas e metodológicas, como a dificuldade em obter validações consistentes e a incapacidade do software em simular geometrias extensas, levaram à reformulação da abordagem. Numa primeira fase, após apresentada a análise do estado da arte, realizou-se um estudo aprofundado sobre a simulação de escoamentos bifásicos com mudança de fase, com especial enfoque no modelo de Lee, cuja escolha se revelou crítica para a fiabilidade dos resultados. Foi realizada uma validação com base em dados experimentais, tendo-se alcançado desvios inferiores a 1 % para um fluxo mássico de 400 kg.m-2 .s-1 . No entanto, verificou-se que os resultados do modelo são muito sensíveis ao coeficiente de Lee, que varia consoante as condições de fronteira e de operação. Para a obtenção de resultados mais precisos torna-se necessário calibrar o coeficiente de Lee para cada caso particular, o que se traduz num processo extremamente demorado e exigente computacionalmente. Numa segunda fase, procedeu-se a um estudo paramétrico com várias geometrias de microcanais, nomeadamente retangulares e em forma de “D”, analisando-se a relação entre a potência térmica permutada e a potência necessária para a manutenção do escamento. Esta métrica revelou-se pouco dependente do coeficiente de Lee, permitindo uma comparação mais fiável entre geometrias. Os resultados sugerem que os microcanais em “D” apresentam uma melhor relação entre potências em comparação com os retangulares, sobretudo para maiores diâmetros hidráulicos. A análise mostrou ainda que, para microcanais retangulares, existe uma relação ótima entre altura e largura que maximiza esta eficiência. Apesar das limitações impostas pelo software e pelo tempo disponível, a dissertação contribui com uma base sólida para estudos futuros, destacando os principais desafios da modelação CFD de condensadores com mudança de fase, e propondo direções para melhorar tanto as ferramentas como a metodologia usada.

Neste trabalho recorreu-se à Dinâmica de Fluidos Computacional para simular escoamentos nãonewtonianos em microcanais com estenose simétrica. Para descrever o comportamento não-newtoniano do sangue utilizou-se o modelo de Carreau sendo os resultados obtidos considerando este modelo comparados com os obtidos para fluido newtoniano, o que permitiu avaliar o impacto das propriedades não-newtonianas nos escoamentos estudados.

O sangue humano consiste numa suspensão de elementos celulares (glóbulos vermelhos, glóbulos brancos e plaquetas) numa solução aquosa chamada plasma. Por diversas razões, o estudo do escoamento do sangue tem proporcionado um amplo interesse por parte da comunidade científica em desenvolver fluidos reologicamente análogos ao sangue. Numa primeira fase deste trabalho, foram desenvolvidos fluidos bifásicos com propriedades reológicas análogas ao sangue por meio de estudos de reometria de corte e de sedimentação de micropartículas. Estes análogos são compostos por micropartículas esféricas de polimetilmetacrilato (PMMA) de 6 μm e 10 μm de diâmetro com diferentes concentrações (1% e 5% w/w) dispersas em uma solução polimérica de goma de xantano. Os resultados obtidos foram bastante promissores uma vez que os fluidos análogos apresentaram um comportamento reológico de corte semelhante ao sangue. Na segunda fase foram fabricados microcanais com uma estenose através da técnica de xurografia, com o objetivo de estudar experimentalmente a queda de pressão dos fluidos análogos do sangue e visualizar o escoamento dos mesmos. Com o auxílio de um sistema de microscopia foi possível comparar o escoamento de um destes fluidos (5% de micropartículas com 6 μm de diâmetro) com o escoamento sanguíneo com 5% de glóbulos vermelhos (GVs). Os resultados correspondentes à visualização dos escoamentos de ambos os fluidos confirmaram a existência de uma camada livre de células (CLC) a jusante da contração, analogamente ao escoamento do sangue real. Por último foram realizadas simulações numéricas com o intuito de comparar com os resultados experimentais das quedas de pressão obtidos nos microcanais. Verificou-se que os fluidos com 5% de micropartículas apresentam maior queda de pressão.

Este projecto de mestrado em Tecnologia Biomédica é de natureza experimental e possui como principais pontos de interesse a fabricação de microcanais em polidimetilsiloxano (PDMS) a baixo custo e a visualização do escoamento no interior dos microcanais produzidos. Constituem como principais objectivos deste projecto a fabricação de microcanais em PDMS com recurso a tecnologias aplicadas à indústria gráfica e efectuar a sua validação. Propôs-se desenvolver/melhorar uma metodologia de microfabricação de baixo custo, conhecida por xurografia, efectuar a visualização e quantificação de vários fenómenos associados ao escoamento sanguíneo em microcanais. A técnica desenvolvida neste projecto possui como referencia a litografia suave, que por sua vez é a técnica mais utilizada na área da microfabricação. No entanto esta técnica é muito dispendiosa e requer uma sala limpa. Devido à inexistência de uma sala limpa no Instituto Politécnico de Bragança, neste trabalho foi utilizada uma plotter de corte e diversos materiais utilizados na indústria gráfica (vinil, papel adesivo, entre outros) para a produção de um molde e microcanais em PDMS. As geometrias utilizadas para o estudo possuíam larguras com dimensões a variar entre os 150μm e os 1000μm. Estas possuíam ramificações com zonas de bifurcações e consequentes zonas de confluências. Apos a fabricação dos microcanais procedeu-se ao estudo do escoamento de fluidos fisiológicos nesses microcanais. Os fluidos fisiológicos utilizados foram sangue ovino com percentagens de hematócrito entre 1% e 15% em dextrano 40. Foram também testados caudais variáveis entre 5 e 15μL/min. Procedeu-se à visualização do escoamento dos fluidos utilizando um sistema de microscópica e captaram-se várias imagens dos microcanais, nomeadamente antes da bifurcação e depois da confluência. As imagens foram tratadas num software informático, quantificando a espessura da camada livre de células formada junto das paredes e a jusante da confluência. Os resultados obtidos demonstram que a técnica designada por xurografia pode ser utilizada para estudar vários fenómenos fisiológicos existentes na microcirculação. This project of the master's degree in Biomedical Technology is an experimental work and includes as the principal interests the fabrication of microchannels of polydimethylsiloxane (PDMS) at low cost and the ability to study blood flow phenomena within the microchannels produced. The main objective of this project is to fabricate microchannels in PDMS using the technologies applied to the printing industry and validation of their performance. It has been proposed to develop/improve a low cost method of microfabrication, to acquire know how about xurography and to visualize and quantify several physiological phenomena associated with blood flow in microchannels. The technique used as a reference in this project was soft lithography, which is the most used technique in the field of microfabrication. However this technique is very expensive and requires a clean room. Due to the lack of a clean room at the Polytechnic Institute of Bragança, a cutting plotter and various materials used in the printing industry (technique known as xurography) were used to produce the molds and the correspondent microchannels in PDMS. The geometries used in this study had widths with dimensions ranging from 150μm up to 1000μm. These channels had ramifications with bifurcations and confluences regions. After the fabrication of the microchannel the physiological fluid flow in these microchannels were studied. The physiologic fluids used were sheep blood with dextran 40 of which hematocrit percentages were between 1% and 15%. The flow rates varying between 5 and 15μL/min were also tested. The fluid flows were visualized using a microscopic system and captured images of the various microchannels, including especially before the bifurcation and after the confluence. The images were processed with a computer software to quantify the thickness of the cell free layer formed adjacent to the microchannel walls and downstream of the confluence. The results demonstrate that the technique known as xurography can be applied to investigate blood flow phenomena happening in microcirculation.

As células que compõem o sangue apresentam tamanhos diferentes. Estudos anteriores revelam que esta diferença de tamanhos leva a diferentes velocidades de migração das diferentes células em canais com diâmetros próximos das arteríolas. Este trabalho teve como intuito o estudo das velocidades de migração de glóbulos vermelhos (GVs) numa rede de canais formados por empacotamentos de esferas de vidro, este método é conhecido por cromatografia hidrodinâmica. Para tal procedeu-se ao empacotamento de várias colunas tubulares com esferas de vidro de diferentes diâmetros. Foram feitos 5 empacotamentos nos quais os diâmetros médios das esferas eram 115, 150, 337,5, 875 e 2000µm. Para cada coluna empacotada fez-se passar no seu interior uma suspensão de GVs de ovelha em soro fisiológico (1% em volume de GVs), do qual se retirou o tempo de residência dos GVs para diferentes caudais: 0,25mL/min a 3 mL/min. Repetiu-se este procedimento para uma solução de sacarose a uma concentração de 1 g/L, também para os mesmos caudais, de forma a permitir o cálculo dos RRTs (a razão entre o tempo de residência dos GVs e o tempo de residência da sacarose), sendo estes valores menores que um na esmagadora maioria dos casos. Os valores obtidos para os RRTs sugerem que alguns dos empacotamentos desenvolvidos podem ser utilizados para separar GVs de moléculas dissolvidas no sangue (como as proteínas), com dimensões da ordem de grandeza da sacarose, dado que os GVs se movem mais rapidamente no interior das colunas empacotadas do que moléculas dissolvidas de menor dimensão que os GVs. Determinou-se por microscopia que o diâmetro dos GVs de ovelha era cerca de 4,6µm. Por fim, para haver uma maior perceção do fluxo sanguíneo no interior das colunas empacotadas produziram-se alguns microcanais em polidimetilsiloxano com características aproximadas às colunas empacotadas, onde se observou a formação de camadas livres de células e zonas de estagnação (em diferentes regiões dos microcanais). O primeiro fenómeno conduz a um aumento da velocidade de migração dos GVs enquanto o segundo conduz à retardação dos GVs. The cells that comprise the blood have different sizes. Previous studies have shown that this size difference can lead to different rates of migration of the cells in channels with diameters of the arterioles. This work aimed to study the migration velocities of red blood cells (GVs) through channels formed by the packing of glass beads, this method is known by hydrodynamic chromatography. For this, different chromatographic columns were packed with glass beads of different diameters. Five packings were made for which the mean diameters of the spheres were 115, 150, 337,5, 875 and 2000µm. A suspension of GVs from sheep in physiological saline (with 1% Hct) was passed inside each packed column and the residence time of the GVs was calculated for different flow rates: 0,25mL/min to 3 mL/min. This procedure was repeated for a sucrose solution at a concentration of 1g/l to allow the calculation of RRTs (the ratio between the residence time of the GVs and residence time of sucrose), this values being inferior to one in the majority of the experiments. With the values obtained for the RRTs it was concluded that some of the developed packed columns can be used to separate the GVs from small molecules dissolved in the blood plasma (such as proteins), with dimensions of the order of magnitude of sucrose, since the GVs migrate faster through the packed columns than molecules smaller than them. Using a microscope it was possible to calculate the diameter of the GVs (around 4,6µm). Finally, to have a greater perception of blood flow within the packed columns, it were produced microchannels constituted by polydimethylsiloxane with characteristics approximating the packed columns and it was possible to observe the formation of cell-free layers and zones of stagnation (at different regions of the microchannels). The former effect leads to the in-crease of the GVs velocities while the second one has an opposite influence in the GVs velocities.

No presente estudo, pretendeu-se desenvolver/melhorar uma metodologia de microfabricação de baixo custo, conhecida por xurografia e efectuar a visualização e quantificação da camada livre de células para diferentes escoamentos sanguíneos em microcanais.