Microhydrodynamics and Rheology of Complex Fluids






                                  ferrofluid manipulation                                        magnetic fluid instability 



The primary focus of my research is the investigation of microscopic and macroscopic models of particulate systems, particularly those with direct physical applications, including: neutrally-buoyant and sedimenting suspensions, emulsions, granular materials, magnetic suspensions, fluidized beds and colloidal systems. The general themes of my research are: Micro-Hydrodynamics, Micro-Mechanics and Rheology of Complex Fluids, Fluctuations and Hydrodynamic Dispersion in Suspensions, Stability of Fluidized Beds, Drag Reduction in Flows, Bubble Dynamics, Perturbation Methods in Fluid Mechanics, Hydrodynamic of Magnetic Fluids, Stochastic Processes in Mechanical Science.





                                          Pendent drop tensiometer - interfacial tension between liquid-liquid





                                           Laboratory of Microhydrodynamics and Rheology - Micro-Rheo





LINK: A real magnetic emulsion composed of polar micro droplets (volume fraction=1%). The fluid is strongly anisotropic already in time=0 when an external magnetic field is applied. Formation of long chains. Indeed a quite complex fluid! (MFS Aleixo Filho, I.D. Pereira & FR Cunha - 2024 - in preparation).



Emulsion composed of ferrofluid droplets for three different viscosity ratios. In larger viscosity ratio the drop size distribution after emulsion mixing  is quite non-homogeneous. In contrast, in lower viscosity ratios the emulsion is almost statistically homogenous due to the sequence of   breakup of chains  during the mixing process. (MFS Aleixo Filho, I.D. Pereira & FR Cunha - 2024 - in preparation).




Formation of long chains of polar droplets in a magnetic dilute emulsion.  The initial condition of this complex material  is already an anisotropic fluid in the presence of a magneti field even for a dilute emulsion (concentration =1% V/V). (MFS Aleixo Filho, I.D. Pereira & FR Cunha - 2024 - in preparation).



Magneto-rheological fluids consist of suspensions of colloidal particles. Each particle contains many tiny, randomly oriented magnetic grains that can be oriented into chains by an externally applied magnetic field. These chains may further coalesce into larger-scale structures in the suspension, thereby dramatically increasing the viscosity of the suspension. This increase, however, may be totally reversed when magnetic field is turned off.






  magneto-rheological suspension - formation of particle agglomerates due do dipolar interactions




suspension of rough non-Brownian particles                                            oil-water  emulsion   






Vorticity dynamics in a gravitational vortex turbine in the presence of polymeric additives.  Team: Gabriel Santos (undergraduate student of Mechanical Engineering), Igor Dal Osto (Ph.D student in Mehanical Sciences), Prof. Francisco Ricardo (advisor). This project is relevant  in water treatment plant (Final Project CAESB/UnB). 









FRC is a Professor of Fluid Mechanics in the Department of Mechanical Engineering at the University of Brasília. He is also a researcher of CNPq- Brazil.  His current research interests include: rheology of complex fluids;  hydrodynamic of magnetic fluids, non-Newtonian fluid dynamics, microhydrodynamics of active and passive particles in suspensions; and mechanics of mobile suspensions in general. His group focuses on developing mathematical and computational modeling tools with experimental investigations, that is highly interdisciplinary. This Professor was the pioneer and founder of the area of Microhydrodynamics and Rheology of Complex Fluids (e.g. magnetic suspensions, emulsions, elastic fluids) at the University of Brasília - Brazil. He has  supervised and guided several undergraduate and graduate students who are currently researching, advising and (or) working  in that area at UnB itself and at other institutions , including companies and industries in Brazil and abroad.
                                       Rheological characterization  of complex fluids
 Graduate Students working in the LAB of Microhydrodynamics and Rheology - VORTEX/ENM/FT/UnB
Microhydrodynamics lectures - VORTEX/ENM/FT/UnB (1/2023)
Education and Formation

Postdoctoral Fellowship.  
Applied Math., University of California in Santa Barbara - USA, 2013-2013
Research topic: Mathematical Models for Magnetic Fluids


Research Collaboration with Prof. Hector D. Ceniceros



Postdoctoral Fellowship.


Chemical Engineering, Yale University, USA, 1998-2000


Research topic: Rheology of emulsion flows


Research advisor: Prof. Michael Loewenberg






Applied Mathematics, University of Cambridge, UK, 1992-1995,


Robinson College - DAMTP - Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics. Complex


Fluid Group - Microhydrodynamics - (G.K. Batchelor, E.J. Hinch and J.M Rallison)


Thesis title: Hydrodynamic dispersion in suspensions


Advisor: Prof. John Hinch, FRS





Mechanical Sciences, University of Brasília, Brazil, 1987-1989

Dissertation title: Nonlinear mechanisms in fluidized beds.

Advisor: Prof. Antônio F. Parentes Fortes




Mechanical Engineering, University of Brasília, Brazil, 1981-1986



Plataform Lattes-CNPq - Link: FRC Lattes


Academic Google -
Link: FRC Citations



WebGroup System-CNPq - Link: Group VORTEX  



Fluid Mechanics Videos by VORTEX Group

Video 1:
Instability of a Magnetic Fluid , by Cunha, F.R. & Abade, G.C., 2002 (This video has over 46.000 views on YouTube !)

Video 2:
The amazing self-locomotion of nematodes. See also PARTT II: Microhydrodynamics of Living Suspensions. These videos have been made during the current investigations of my Ph.D student Sara Malvar (2015-current).

Video 3:
Microhydrodynamics of a single drop , by Cunha, F.R. & Dias, N.J., 2013

Video 4:
A Model of Magnetic Separation Oil-Water , by Cunha, F.R. & Sobral, Y.D., 2004

Video 5:
Thermo-Magnetic Convection , by Gontijo, R.G. & Cunha, F.R., 2011. (Presented in the 6th Internacional Conference on Surfaces, Coatings and Nano-Structured Material -NANOMAT Conference - Krakow - Poland - 2011).

Video 6:
SUP - Stand up Paddle Fluid Mechanics (Hydrostatic and Dynamic - drag and lift) .

Video 7:
Talk of Prof. Hinch on the Flow of Elastic Liquids , (Opening talk of COBEM2007-Brazil)










Résumé - FRC 

Professor Francisco Ricardo Cunha received the diploma in Mechanical Engineering from the Department of Mechanical Engineering, University of Brasília, Brazil, in 1986. In 1989, he received a M.S. degree in Mechanical Science from the University of Brasília, Brazil. Then at the Department of Applied Mathematics and Theoretical Physics of University of Cambridge - UK, he was conferred, in 1995, a Ph.D. degree in Fluid Mechanics of Hydrodynamic Dispersion in Suspension Flows. He did a Postdoctoral work at Yale University (1998-2000), where he was also a visiting Associate Professor of the Chemical Engineering Department, and also a Postdoctoral program at University of California in Santa Barbara - UCSB-USA (2013). He joined the University of Brasília in 1995, and is currently Professor of Fluid Mechanics and Applied Mathematics and a Researcher (PQ)  of the National Council for Scientific and Technological Development – CNPq – Brazil since 1996. He is a CNPq's researcher level PQ - 1, since 2000. Prof. Cunha’s current research interests are in Microhydrodynamics, Micro-Mechanics, Rheology of Complex Fluids and Hydrodynamic of Magnetic Fluids. Editor-in-Chief- of Journal of Brazilian Society Mechanical Science and Engineering (2015-2019). Prof. Cunha has published several scientific articles in indexed journals of high visibility and  impact in his area as: Physics of Fluids, J. of Magnetism and Magnetic Materials, Physica A, Journal of Fluid Mechanics, Experimental Thermal and Fluid Sci, Rheologica Acta, Applied MAthematics Modeling, Journal of Physics – Condensed Matter, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Appl. Math. and Mechanics, J. of Fluids Engineering, Journal of Engineering Mathematics, Biomicrofluids-APS, Magnetohydrodynamics, Powder Technology, Computational and Applied Mathematics, Computer Methods in Appl. Mechanics and Engineering among others. This Professor was the pioneer and founder of the area of Microhydrodynamics and Rheology of Complex Fluids (e.g. magnetic suspensions, emulsions, elastic fluids) at the University of Brasília - Brazil. He has  supervised and guided several undergraduate and graduate students  who are currently researching, advising and (or) working  in that area at UnB itself and at other institutions , including companies and industries in Brazil and abroad. He also has supervised PhD, masters and undergraduate students currently. He has about  1700 citations in high-impact scientific journals, resulting in a current  IH=22 and I10=48  (font: Google Schoolar's base). In Scopus's base- Elsevier he has around 1100 citations and a  current  IH=17. In the Web of Science base he has over 1000 citações and an associated   IH=16His theory on hydrodynamic diffusion in suspension is largely used for modelling particle or cell's migration  in blood flow. 

(in Portuguese)

O foco principal da pesquisa desenvolvida no  Laboratório de Microhidrodinâmica e Reologia (MICRO-RHEO) é a caracterização reológica de fluidos complexos  baseada em análise  microscópicas e macroscópicos de sistemas fluidos particulados, particularmente, daqueles fluidos com aplicações tecnológicas. A saber: suspensões em cisalhamento, suspensões em sedimentação, emulsões viscosas, suspensões magnéticas, leitos fluidizados  e sistemas coloidais e não-coloidais em geral. Atualmente, o MICRO-RHEO tem realizado trabalhos experimentais referentes a caracterização reológica de fluidos magnéticos. Fluidos estes que podem ser  tanto  suspensões de estruturas magnéticas não-coloidais (i.e. maiores que 10 micros) como também  ferrofluidos contínuos nos quais as partículas são menores que 10 nm. No caso das suspensões de partículas micrométricas magnéticas, compósitos magnéticos ou aglomerados  (i.e. suspensão magneto-reológicas), cada estrutura magnética  contém um número  de pequenas partículas nanométricas com dipolos orientados  na forma de aglomerados ou cadeias por um campo magnético externo aplicado. As estruturas podem desenvolver um processo de aglomeração  e formar estruturas ainda maiores, produzindo grandes variações na magnetização e na reologia dessas suspensões, dependendo da intensidade do campo externo aplicado. Os temas gerais de interesse e que fazem parte das atividades de pesquisa do Lab MICRO-RHEO são: microhidrodinâmica, micro-mecânica  e reologia de fluidos complexos, flutuações e difusão hidrodinâmica em suspensões não-Brownianas e hidrodinâmica de fluidos magnéticos em diferentes condições de campos externos de escoamentos (lineares e não lineares), transientes ou não-transientes. Vale ainda informar que o  referido LAB  iniciou suas atividades de pesquisa e formação de recursos humanos em 2010, a partir da constatação da necessidade da criação de um Laboratório  de pesquisa com foco no estudo de problemas ligados a escoamentos de fluidos complexos e no consequente repasse dos conhecimentos gerados para o setor industrial. Com essa perspectiva  o MICRO-RHEO  passou  também a explorar o  desenvolvimento de procedimentos sistemáticos para o estudo de fenômenos em escoamentos de fluidos complexos, buscando sempre levar em conta aspectos microestruturais na resposta macroscópica do fluido. 
Résumé - FRC (in Portuguese)
Prof. F. R. Cunha possui graduação em Engenharia Mecânica pela Universidade de Brasília - UnB (1986), mestrado em Ciências Mecânicas pela mesma Universidade (1989) (bolsa CNPq) e doutorado em Matemática Aplicada e Mecânica dos Fluidos pela Universidade de Cambridge (DAMTP) (1995) (Bolsa-CNPq) no grupo Fluidos Complexos liderado, na época, pelo Prof. G.K . Batchelor-FRS. Realizou Pós-doutorado na Universidade de Yale - USA (1998-1999) (Bolsa CAPES) e foi Professor Associado Visitante nessa mesma Universidade. Desenvolveu em 2013 um Programa de Pós-Doutorado no Departamento de Matemática (Appl. Math Group) da Universidade da California em Santa Barbara (UCSB-USA). Foi também Professor Associado visitante no Departamento de Matemática da UnB em 1995. É fundador e atual líder do Grupo de Mecânica dos Fluidos de Esc. Complexos – VORTEX da UnB desde 2000. Criou o Lab. de Microhidrodinâmica e Reologia e o Lab. Hidrodinâmica de Fluidos Magnéticos do ENM-UnB (2010). Atualmente, é Professor de Matemática Aplicada e Mecânica dos Fluidos do Programa de Ciências Mecânicas da UnB, desenvolvendo atividades de ensino, na graduação e pós-graduação e atividades de pesquisa. Foi coordenador de Pós-Graduação do Departamento de Engenharia Mecânica-UnB, no período (2001-2004) em que foi criado e implantado o  Programa de Pós-Graduação de Ciências Mecânicas (mestrado-doutorado) da Universidade de Brasília. O Professor é pesquisador com bolsa PQ do  Conselho  Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq desde 1996. Passou a ser pesquisador PQ nível  1 do CNPq a partir de  2000. Em adição, participou como membro do CA-PR-CNPq em 2012, foi membro do Comitê Científico da FAPDF. É consultor do CNPq,  CAPES, FAPESP, FAPDF entre outras FAPs. O Professor foi também Editor Associado do J. of the Braz. Soc. of Mech. Sci. and Engn (JBSMSE-ABCM-Springer) de 2005-2015 e Editor-in-Chief deste mesmo periódico (JBMSE-Springer) (2015-2019), quando o periódico teve um aumento substancial do seu fator de impacto (JCR) de 0.429 para 1.743. É Revisor de vários Periódicos de destaque como: J. of Fluid Mechanics, Physics of Fluids, J. of Applied Physics - AIP, J. of Comput. and Appl. Math., Journal of Physics – Condensed Matter, J. of Magnetism and Magnetic Materials, Chemical Engineering Jourrnal, Magnetohydrodynamics, AIChE Journal, Chemical Engn.Comm., ASME-J. of Fluids Engineering, Smart Materials and Structures - IOP, Meccanica, Int. Journal of Thermal Science, J. of Nanoscience and Nantotechnology (USA) entre outros. Tem experiência na área de Mecânica e Matemática Aplicada, com ênfase em Mecânica dos Fluidos, atuando nos seguintes temas: Microhidrodinâmica de Suspensões e Emulsões, Hidrodinâmica de Fluidos Magnéticos, Reologia de Fluidos Complexos, Difusão Hidrodinâmica, Métodos de Perturbações em Mecânica dos Fluidos e Processos Estocásticos em Mecânica. O Pesquisador publicou vários artigos de destaque em periódicos indexados de impacto como: o J. of Magnetism and Magnetic Materials, Physica A, Journal of Fluid Mechanics, Phys. of Fluids, Journal of Physics – Condensed Matter, Journal of Non-Newtonian Fluid Mechanics, Rheologica Acta, J. of Fluids Engineering, Biomicrofuids-APS, Magnetohydrodynamics, Powder Technology, J. of Engeneering Mathematics, Computational and Applied Mathematics, Computer Methods in Appl. Mechanics and Engineering. Applied Math and Mechanics, Experimental Thermal and Fluid Science, Applied Mathematics Modeling,  entre outros. Foi pioneiro e instituidor da área de Microhidrodinâmica e Reologia de Fluidos Complexos (e.g. suspensões magnéticas, emulsões, fluidos elásticos) na Universidade de Brasília, tendo criado disciplinas avançadas vinculadas ao tema da área. Orientou diversos alunos de graduação (IC e projeto final), alunos de mestrado e doutorado,  que correntemente estão pesquisando, orientando e (ou ) trabalhando na própria UnB e em outras instituições, incluindo empresas e indústrias no Brasil e no exterior. Coordenou e participou em um número considerável de projetos de pesquisa financiados pelo CNPq, FINEP-CTPetro e outros. Participou de diversas bancas de mestrado-doutorado e de concursos públicos. Membro Titular  da Associação  Brasileira de Ciências Mecânica e Engenharia - ABCM, Membro Titular da Soc. Brasileira de Matemática  Aplicada e  Computacional - SBMAC, Membro Vitalício do Robinson College da Universidade  de Cambridge e Membro fundador da Soc. Brasileira de Reologia - (2009). Em adição, foi membro de Câmaras e Conselhos Superiores (CCD, CAPRO , CPP) da Universidade de Brasília, Diretor e Membro do Conselho Superior da FINATEC. Possui em torno de 1700 citações (IH=22, I10= 48) em periódicos científicos de alta visibilidade e  impacto (segundo fonte:Google-Schoolar). Adicionalmente, possui um IH=17 associado  com cerca de 1050  citações na base Scopus e mais de 1000citações da base Web of Science com IH=16 . A teoria do pesquisador de Difusão Hidrodinâmica e Difusividades tem sido amplamente aplicada na área de suspensões e emulsões, inclusive para predição de migração de células biológicas em escoamentos do sangue na microcirculação. Mais recentemente foi contemplado (maio-2021) com bolsa de Estágio Senior financiada pelo CNPq para desenvolvimento de Pesquisa em Fluidos Complexos na Universidadade da Pensilvânia - UPenn-USA a partir do início de 2022.
                                  International Congress of Magnetic Fluids - 2019 - PARIS
Art by Marcos Fabrício Aleixo Filho (Ph.D student)