Análisis experimental de procesos de atomización de líquidos basados en campos hidrodinámicos y electrodinámicos

Abstract

La producción controlada de microestructuras fluidas tales como chorros, burbujas y gotas tiene una gran relevancia en campos muy diversos, ya sean relativos a la medicina y farmacia, tecnológicos e incluso en la industria de la alimentación. De ahí el interés suscitado a lo largo del tiempo por la investigación en sus técnicas de producción, ya sea para mejorar las existentes o desarrollar otras nuevas. El objetivo principal de este trabajo es el estudio experimental de las dos técnicas principales usadas para este fin: electrospray y flow focusing. En el capítulo 2 encuadraremos este estudio en un contexto más amplio mediante una descripción general de ambas técnicas y sus aplicaciones más significativas. El electrospray (ES) es un método de producción de microchorros y atomización de gotas que se consigue mediante la acción de un campo eléctrico sobre un líquido que puede ser inyectado a caudal constante a través de un capilar metálico (estacionario) o sobre una gota que cuelga del electrodo superior (no estacionario). En los capítulos 3 y 4 se hará un análisis de las leyes de escala que gobiernan ambos procesos, donde veremos un desarrollo teórico validado ampliamente por resultados experimentales y simulaciones numéricas, tanto en el caso estacionario como en el no estacionario. Una vez presentados dichos resultados, en el capítulo 5 se demostrará la validez de un modelo unidimensional para el estudio del modo cono-chorro (estacionario) de dicha técnica. El flow focusing fue propuesto por Gañán-Calvo (1998) como un método de producción de chorros y gotas de tamaños micrométricos a través de medios puramente hidrodinámicos. Esto se consigue gracias a una corriente gaseosa que cofluye con un chorro líquido inyectado a través de un capilar submilimétrico. Ambos fluidos atraviesan un orificio, también submilimétrico, situado enfrente del capilar, obteniéndose un tamaño de chorro muy inferior a los diámetros tanto del capilar como del orificio. En la siguiente parte del trabajo se proponen variantes de las técnicas previamente expuestas, mediante el cambio del elemento inyector, concretamente sustituyendo el capilar por una aguja hipodérmica comercial (con punta de triple bisel). En el capítulo 6 se lleva a cabo un estudio experimental de la técnica de ``Needle Electrospray'', aunque el uso de agujas hipodérmicas en ES no es nuevo, no existen estudios sistemáticos que permitan conocer el comportamiento de este método. En el caso del FF, la incorporación de la aguja hipodérmica desemboca en una novedosa técnica de producción de chorros ``Needle Flow Focusing'' (NFF) cuyo estudio se desarrolla para la líquido-líquido en el capítulo 7 y líquido-gas en el capítulo 8.

The controlled production of jets and droplets in the micrometer scale has a huge relevance in several fields such a medicine and pharmacy, technological and even food industry. Therefore, the great interest has aroused along the time the research in their production techniques, either for improving existing or developing new ones. The main goal of this work is the experimental study of two main techniques used for this purpose: electrospray and flow focusing. In chapter 2 we have framed this study in a bigger context through a general overview of both techniques and their more relevant applications. Electrospray (ES) is a method for producing jets and droplets atomization reached by the action of an electric field over a liquid which can be injected at a constant flow rate through a metallic capillary (steady regime) or a pendant drop hanging from the upper electrode (unsteady regime). In chapters 3 and 4 we analize scaling laws that govern both regimes, where we show a theoretical development widely validated by experimental results and numerical simulations, for both steady and unsteady regimes. Once all results are showed, in chapter 5, we demonstrate the validity of one-dimensional model for the study of cone-jet mode (steady) of this technique. The flow focusing (FF) technique was proposed by Gañán-Calvo as a method for producing jets and droplets in the micrometer scale by purely hydrodynamic means. This can be reached by a gas stream that coflows with a liquid jet injected through a submilimeter capillary. Both fluids pass through an orifice, also submilimeter, located in front of the capillary, obtaining a jet with a much smaller diameter than that of the capillary and orifice. In the next part of this work variants of the techniques mentioned above are proposed, by changing injector element, replacing the capillary by a common hypodermic needle. In chapter 6, we carry out an experimental study of ``Needle Electrospray'' technique, although the use of hypodermic needles in electrospray is not new, there is no systematic studies that allow us to know the behavior of this method. In the last chapters of this work, we develop a novel technique for producing jets based in FF, where a hypodermic needle will be used and we develop an experimental study of the ``Needle Flow Focusing'' technique (NFF) for liquid-liquid configuration, in chapter 7 and liquid-gas, in chapter 8.