ANALISI FLUIDODINAMICA NUMERICA DI UN DISPOSITIVO MICROFLUIDICO A GEOMETRIA FISSA PER LA SIMULAZIONE DI BARRIERE BIOLOGICHE

This thesis project aims to computationally characterize the behavior of a fixed-geometry microfluidic device designed to simulate different tissue-specific biological barriers solely by varying the operating conditions. The workflow consisted of CAD modeling and the generation of an optimized 2D computational grid using Pointwise. The mesh was strategically refined near the lateral openings to accurately capture convective-diffusive gradients, and coarsened within the culture chamber. Subsequently, the setup for laminar simulations was developed in Ansys Fluent, utilizing the Species Transport model. The lateral openings are modeled as impermeable walls, and the species extraction is represented by a volumetric source term applied to the adjacent cells. The study analyzes three operating scenarios, differentiated by inlet velocity, kinetic coefficient of the source term, and the specific openings activated during the numerical setup phase. The fluid dynamics and mass transport analysis aims to map the concentration profile within the domain. The ultimate goal is to demonstrate that the model can be calibrated to reproduce the three target extraction percentages (90%, 50%, and 10%) using the same geometry, within the limits declared in the thesis.

Il presente lavoro di tesi si propone di caratterizzare computazionalmente il comportamento di un dispositivo microfluidico a geometria fissa, ideato per simulare differenti barriere biologiche tessuto-specifiche variando esclusivamente le condizioni operative. Il flusso di lavoro si è articolato nella modellazione CAD e nella generazione di una griglia computazionale 2D ottimizzata tramite Pointwise. La mesh è stata strategicamente infittita in prossimità delle aperture laterali, per catturare accuratamente i gradienti convettivo-diffusivi, e diradata nella camera di coltura. Successivamente, è stato sviluppato il setup per le simulazioni laminari in Ansys Fluent, avvalendosi del modello Species Transport. Le aperture laterali sono modellate come pareti impermeabili e l'estrazione della specie è rappresentata mediante un termine sorgente volumetrico applicato alle celle adiacenti. Lo studio analizza tre scenari operativi, differenziati per velocità di ingresso, coefficiente cinetico del termine sorgente e aperture attivate in fase di setup numerico. L'analisi fluidodinamica e del trasporto di massa ha lo scopo di mappare il profilo di concentrazione all'interno del dominio. L'obiettivo finale è mostrare che il modello può essere calibrato per riprodurre le tre percentuali di estrazione target (90%, 50% e 10%) con la stessa geometria, nei limiti dichiarati nella tesi.