"Durante el flujo bifásico inmiscible en medios porosos, cuando el fluido mojante es
desplazado por otro fluido en un capilar con constricción, la fase desplazada deja
una película delgada en la pared, la cual puede aumentar su espesor y romper la
continuidad de la otra fase. Este fenómeno es conocido como rompimiento de gota
o snap-off, y es uno de los principales mecanismos de formación de emulsiones
dentro del medio poroso. En esta tesis se analiza teórica y experimentalmente el
rompimiento de gota durante el flujo a través de capilares con constricción en
sistemas que involucran líquidos y gases. El enfoque teórico aquí planteado se
divide en dos temas principales: uno es la resolución de modelos matemáticos que
describen la evolución de la interfase entre los fluidos hasta que ocurre el
rompimiento de gota; el otro consiste en la determinación a priori, mediante los
llamados criterios de ruptura, de las condiciones de flujo en las que ocurre o se
inhibe el rompimiento de gota. Para el primer planteamiento se propone un marco
de trabajo basado en métodos pseudo-espectrales de series de Fourier con el que
son resueltos los modelos de rompimiento de gota para diferentes tipos de
interfases. Los resultados de la modelación matemática utilizando este marco de
trabajo unificador concuerdan aceptablemente con los reportados en la literatura.
En cuanto a los criterios de ruptura, se establecieron formulaciones empíricas para
condiciones dinámicas de flujo basadas en el análisis del número capilar límite, en
el cual se inhibe el snap-off, considerando el efecto que tiene en éste la tasa de
viscosidades. Por otra parte, se expone la metodología con la que se realizaron una
serie de experimentos de microfluídica, consistentes en la inyección de emulsiones
monodispersas (aceite / agua) a través de un microdispositivo transparente formado
de una red de microcanales cilíndricos, el cual es monitoreado con un microscopio
óptico con cámara digital de alta velocidad. Se presentan los resultados de
diferentes casos de estudio definidos por la relación del tamaño de gota con el
tamaño de las constricciones del medio, bajo el mismo régimen de flujo e igual
concentración."
"During the immiscible two-phase flow in porous media, when the wetting fluid is
displaced by another fluid in a constricted capillary, the displaced phase leaves a
thin film in the wall, which can increase its thickness and break the continuity of the
other phase. This phenomenon is known as drop breakup or snap-off, and is one of
the main mechanisms of emulsion formation within the porous medium. In this thesis,
the drop breakup during the flow through capillaries with constriction in systems
involving liquids and gases, is analyzed theoretical and experimentally. The
theoretical approach proposed here is divided into two main themes: one is the
resolution of mathematical models that describe the evolution of the interface
between the fluids until the snap-off is achieved; the other consists of a priori
determination, by means of the so-called breakup criteria, of the flow conditions in
which the snap-off occurs or is inhibited. For the first approach, we propose a
framework based on pseudo-spectral methods of Fourier series with which the
models for drop breakup are solved for different types of interfaces. The results of
the mathematical modeling, using this unifying framework, agree acceptably with the
the reported in the literature. Regarding the breaking criteria, empirical formulations
were established for dynamic flow conditions based on the analysis of the capillary
number upper limit, in which the snap-off is inhibited, considering the effect of the
viscosity ratio. On the other hand, the methodology with which a series of microfluidic
experiments were carried out, consisting of the injection of monodisperse emulsions
(oil / water) through a transparent microdevice formed by a network of cylindrical
microchannels, which is monitored with an optical microscope with a high-speed
digital camera. The results of different case studies are presented, which are defined
by the relation of the drop size with the size of the constrictions of the medium, under
the same flow regime and the same concentration."