Модуль микрофлюидики

Проведение мультифизических моделей микрофлюидических устройств

Модуль микрофлюидики, дополнение к COMSOL Multiphysics, предоставляет удобные функции для изучения микрофлюидических устройств. Важные применения включают моделирование лабораторных устройств на чипе, цифровую микрофлюидику, электрокинетические и магнитокинетические устройства, а также струйные аппараты. Модуль микрофлюидики может использоваться для моделирования ползущего, ламинарного, пористого среды, многофазного и скользящего потока, а также позволяет решать проблемы стационарных и зависящих от времени потоков в 2D и 3D. В сочетании с другими модулями из продуктового комплекса COMSOL функциональность модуля для моделирования мультифизических явлений может быть расширена для моделирования взаимодействия жидкости и структуры, тепловых потоков и других факторов.^®

     

Опишите жидкости на микроуровне

Микрофлюидные потоки происходят на масштабах длины, которые на порядки меньше, чем макроскопические потоки. Манипуляция жидкостями на микроуровне имеет ряд преимуществ; Поскольку они меньше, микрофлюидные системы обычно работают быстрее и требуют меньше жидкости, чем их макроскопические аналоги.

Входные и выходные энергии (например, тепло, образующееся в химической реакции) также легче контролировать, поскольку соотношение объёма поверхности к площади системы значительно больше, чем в макроскопической системе. В целом, по мере уменьшения масштаба длины потока жидкости, свойства, масштабирующиеся с площадью поверхности системы, становятся сравнительно важнее, чем свойства, масштабирующиеся с объёмом потока.

Модуль микрофлюидики разработан специально для обработки импульса, тепла и массового переноса с особым вниманием к потоку жидкости на микроуровне.

Что можно моделировать с помощью модуля микрофлюидики

Проведите различные микрофлюидики с помощью программного обеспечения COMSOL.^®

  Устройства Lab-on-a-chip

Вычислить радиальное распределение давления и скорость расхода с помощью вращающейся платформы лаборатории на чипе.

  Микрофлюидные каналы

Наполнить и промыть соединенные элементы оборудования жидкостью.

  Микронасосы

Моделировать микрофлюидные системы с применением от биологической обработки жидкостей до микроэлектронного охлаждения.

  Микромиксеры

Имитировать быстрое смешение различных потоков жидкости.

  Струйная печать

Моделируйте поток жидкости в струйном аппарате, чтобы предсказать оптимальную конструкцию струйного устройства.

  Доставка лекарств

Опишите работу системы доставки лекарств.

  Топливные элементы

Изучите конструкции топливных элементов с протоннообменной мембраной (PEM) и их конструктивные задачи.

  Оптические устройства для электроувлажнения

Измените угол контакта, изменяя напряжение, прикладываемое к проводящей жидкости.

  Электрокинетические клапаны

Анализировать поток, управляемый давлением, и электрофорез в трёхмерной микроканальной системе.

  Тесты обнаружения

Изучите возможные симметрии в распределении жидкого образца в тест-полосе.

Функции и функциональность в модуле микрофлюидики

Возможности модуля микрофлюидики позволяют решать несколько задач моделирования.

 

Однофазный поток

Интерфейсы потока жидкости используют физические величины, такие как давление и скорость расхода, а также физические свойства, такие как вязкость и плотность, для определения задачи потока жидкости. Интерфейс Laminar Flow охватывает несжимаемые и слабо сжимаемые потоки. Этот интерфейс также позволяет моделировать неньютоновский поток жидкости. Интерфейс для ползущего потока используется, когда число Рейнольдса значительно меньше единицы. Это часто называют потоком Стокса и подходит для использования при доминировании вязкого потока. Обычно это применяется к микрофлюидным устройствам.

 

Трёхфазный поток

Мультифизический интерфейс Laminar Three-Phase Flow и Phase Field предназначен для отслеживания интерфейсов между тремя несмешиваемыми и несжимаемыми жидкостями. Предполагается, что поток ламинарный; то есть число Рейнольдса от низкого до умеренного, а плотность каждой фазы постоянна. Интерфейс решает уравнения Навье–Стокса для сохранения импульса, а также уравнение непрерывности для сохранения массы. Положение интерфейса отслеживается решением четырёх дополнительных транспортных уравнений: двух для переменных фазового поля и двух для обобщённых химических потенциалов. Движение поверхности определяется минимизацией свободной энергии. Интерфейс трехичного фазового поля также доступен для отслеживания движущихся интерфейсов между тремя несмешиваемыми жидкостями путём решения двух фазовых переменных поля и двух обобщённых переменных химического потенциала.

 

Транспорт видов

Модуль микрофлюидики предоставляет выделенный интерфейс для транспортировки разбавленных видов. Он используется для моделирования транспортировки химических видов через диффузию, конвекцию (в сочетании с течением жидкости) и миграцию в электрических полях для смесей, где один компонент — растворитель — находится в превышении (90 моль% и более). Обычно он используется для моделирования производительности микшеров. Для моделирования химических реакций в микрофлюидных устройствах модуль микрофлюидики может сочетаться с модулем инженерии химических реакций, который также обеспечивает транспорт концентрированных видов с бинарной диффузией.

 

Электрокинетический поток

При моделировании транспорта разбавленных видов электромиграция ионов в статическом электрическом поле можно включить согласно уравнению Нернста–Планка. Применения этой функции включают электрофоретическую подвижность и электроосмотический поток, то есть электрокинетический поток. Модуль микрофлюидики может быть объединён с модулем химической реакционной инженерии для доступа к интерфейсу Нернста–Планка и интерфейсу электрофоретического транспорта, которые посвящены моделированию электролитов и могут включать формулировки уравнения Пуассона или условия электронейтральности для баланса заряда. Комбинация уравнений Нернста–Планка и Пуассона может использоваться для моделирования заряженных двойных слоёв и электроосмотического потока.

 

Двухфазный поток

В модуле микрофлюидики доступны три различных метода для моделирования двухфазного потока: методы уровня, фазового поля и методы движущейся сетки. Они используются для моделирования двух жидкостей, разделённых движущейся границей жидкости, где интерфейс подробно отслеживается, включая кривизну поверхности и силы поверхностного натяжения. Методы набора уровней и фазовых полей используют фиксированную фоновую сетку и решают дополнительные уравнения для отслеживания расположения интерфейса. Метод движущейся сетки решает уравнение потока на движущейся сетке, а граничные условия, представляющие интерфейс жидкости, применяются непосредственно к поверхности. В этом случае дополнительные уравнения решаются для деформации сетки с помощью произвольного метода Лагранжа–Эйлера (ALE). Все эти методы и их интерфейсы поддерживают как сжимаемые, так и несжимаемые ламинарные потоки, при этом одна или обе жидкости могут быть неньютоновскими.

 

Поток пористых сред

Поток пористых сред также может возникать в микромасштабных геометриях. Когда размер пор находится в микронном диапазоне, поток часто доминирует из-за трения; в таких случаях для решения потока можно использовать закон Дарси. Модуль микрофлюидики оснащён отдельным интерфейсом для потока пористых сред, основанный на законе Дарси. В этом случае не учитываются сдвиговые напряжения, перпендикулярные потоку. Для промежуточных потоков доступен интерфейс для уравнений Бринкмана. Этот интерфейс моделирует поток через пористую среду, где сдвиговые напряжения нельзя игнорировать. Существует поддержка как формулировки Стокса–Бринкмана, подходящей для очень низких скоростей потока, так и сопротивления Форххаймера, используемого для учёта эффектов при высоких скоростях. Жидкость может быть как несжимаемой, так и сжимаемой, при условии, что число Маха меньше 0,3. Формулировка позволяет создавать модели свободных и пористых сред, включая пористые среды с использованием уравнений Бринкмана или ламинарного потока.

Эти интерфейсы подходят для потока микрофлюидных пористых сред. Примеры применения включают бумажную микрофлюидику и транспорт в биологических тканях.

 

Редкий и скользящий поток

Разреженный поток газа возникает, когда средний свободный путь молекул становится сопоставимым с масштабом длины потока. Число Кнудсена, Kn, характеризует важность эффектов разрежения на поток. По мере того как газ становится более разреженным (что соответствует высокой величине числа Кнудсена), слой Кнудсена — который находится в пределах одного среднего свободного пути стенки — начинает оказывать значительное влияние на поток. Для чисел Кнудсена ниже 0,01 разрежение можно игнорировать, а интерфейсы ламинарных потоков модуля микрофлюидики могут использоваться с условиями нескольжения. Для слегка разрежённых газов (0,01 < Kn < 0,1) слой Кнудсена можно смоделировать с помощью соответствующих граничных условий у стенок вместе с континуумными уравнениями Навье–Стокса в области области. В этом случае интерфейс Slip Flow доступен в модуле микрофлюидики. Для моделирования более высоких чисел Кнудсена требуется модуль молекулярного потока.

   

Расширьте своё моделирование с помощью модуля микрофлюидики

Как и в других продуктах набора COMSOL, при добавлении модуля микрофлюидики в COMSOL Multiphysics функции и функциональность полностью интегрируются в рабочий процесс моделирования и готовы к использованию с другими модулями. Например, модуль микрофлюидики может быть комбинирован с:^®

• Модуль теплопередачи для моделирования тепловых потоков, а также проводимости, естественной и принудительной конвекции, нагрева Джоуля, термофореза и эффектов Марангони
• Модуль AC/DC для изучения влияния магнитофореза и магнитогидродинамики
• Модуль структурной механики для проведения симуляций взаимодействия жидкости и структуры для фиксированных и деформирующихся геометрий с однофазным или многофазным потоком
• Модуль химической реакционной инженерии предназначен для моделирования химических реакций и транспортировки концентрированных видов, а также для получения передовых возможностей для моделирования транспорта электролитов и ионов с электрическими полями в качестве движущих сил