Microfluidics Module

微流体器件的多物理场仿真

Microfluidics Module

墨滴通过喷嘴喷出,在空气中运动,直到击中目标。该模型可以用于了解墨粉属性和喷嘴处压力分布对墨滴速度、墨滴体积和可能出现的卫星墨滴。

通用微流体仿真

微流体模块为您提供了一些易用的工具,用于研究微流体器件。重要的应用包括仿真片上实验室器件、数字微流体、电动与磁动器件,以及喷墨打印机等。微流体模块包含了预设的用户接口和仿真工具(称为物理接口),可用于单相流、多孔介质流、两相流和传递现象。

降低流体尺度

微流体流动一般产生在比宏观流动小几个数量级的长度尺度下。微尺度下的流体操控有很多优点——微流体系统通常更小、运行速度更快,并且需要的流体比相应的宏观系统少。

能量输入和输出也更易于控制(例如,化学反应中产生的热量),因为系统的表面积-体积比远大于宏观系统。一般情况下,随着流体流动尺度的减小,与那些随流体体积成比例变化的属性相比,随系统表面积成比例变化的属性会变得相对重要。

在流体流动中,速度等值面上的由剪切作用而产生的粘性力相对惯性力占主导作用,因此这种现象在流体流动中表现明显。描述这两种力之比的雷诺数 (Re) 通常很低,所以此种流体通常为层流。在许多情况下,可以使用蠕动 (Stokes) 流模型 (Re«1)。层流和蠕动流使混合变得特别困难,所以质量传递通常受扩散限制,但即使在微流体系统中,扩散通常也是一个缓慢的过程。而这会影响微流体系统内的化学物质传递。微流体模块专门用于处理传动、传热和传质过程,特别考虑微尺度下的流体流动。

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  • 薄片混合器:图中所示的器件可以增强两种流体在薄片流中的混合效果。结果显示了混合器壁面上的压力等值线,混合器入口与出口处以及两组流道(载运不同流体)交汇点处的速度大小。此外,模型中还绘制了流线(红色)。插图显示了仅在其中一种流体中存在的扩散物质的浓度,并沿着接近混合器中心的垂直线上绘制。 薄片混合器:图中所示的器件可以增强两种流体在薄片流中的混合效果。结果显示了混合器壁面上的压力等值线,混合器入口与出口处以及两组流道(载运不同流体)交汇点处的速度大小。此外,模型中还绘制了流线(红色)。插图显示了仅在其中一种流体中存在的扩散物质的浓度,并沿着接近混合器中心的垂直线上绘制。
  • 电润湿镜头:上图显示了一个可调焦液体镜头,其曲率半径可以使用电润湿效应进行调节。彩色图显示了镜头下方油所在区域的流体速度大小,而箭头图显示了油镜上方的流体的速度。 电润湿镜头:上图显示了一个可调焦液体镜头,其曲率半径可以使用电润湿效应进行调节。彩色图显示了镜头下方油所在区域的流体速度大小,而箭头图显示了油镜上方的流体的速度。
  • COMSOL DESKTOP:一个完整的仿真项目从始至终都可以在 COMSOL Desktop® 中完成。可视化图形显示了某个微流道内随时间变化的单相流,该微流道用于注入流体并使用流体冲刷器件。 COMSOL DESKTOP:一个完整的仿真项目从始至终都可以在 COMSOL Desktop® 中完成。可视化图形显示了某个微流道内随时间变化的单相流,该微流道用于注入流体并使用流体冲刷器件。
  • 分裂和重组搅拌器标准模型:本案例模拟了一个分裂和重组搅拌机,引入示踪流体,并进行多层混合。通过在模型中设定很小的扩散系数,去掉了扩散的作用,从而可以研究层界面上的数值扩散。结果与文献中发表的层流图案和总压力降分布吻合得很好。 分裂和重组搅拌器标准模型:本案例模拟了一个分裂和重组搅拌机,引入示踪流体,并进行多层混合。通过在模型中设定很小的扩散系数,去掉了扩散的作用,从而可以研究层界面上的数值扩散。结果与文献中发表的层流图案和总压力降分布吻合得很好。
  • 两相流:对于多相共存体系,小尺度下的表面张力效应相对于重力和惯性重要得多。Laplace 压力(两相界面上的压力跃变)、毛细管力和 Marangoni 力均按 1/长度的比例发生变化。下图显示了油滴的分裂,油在流入含有其它流体的流道时产生乳液。图中显示了速度流线,并在对称平面上绘制了流体速度。两相界面以绿色显示。 两相流:对于多相共存体系,小尺度下的表面张力效应相对于重力和惯性重要得多。Laplace 压力(两相界面上的压力跃变)、毛细管力和 Marangoni 力均按 1/长度的比例发生变化。下图显示了油滴的分裂,油在流入含有其它流体的流道时产生乳液。图中显示了速度流线,并在对称平面上绘制了流体速度。两相界面以绿色显示。
  • 电渗混合器:该特定微混合器利用电渗来混合流体。施加随时间变化的电场,所产生的电渗对流体产生扰动。流线图形显示了流场中存在大量的漩涡。 电渗混合器:该特定微混合器利用电渗来混合流体。施加随时间变化的电场,所产生的电渗对流体产生扰动。流线图形显示了流场中存在大量的漩涡。

COMSOL 的通用多物理场耦合功能特别适合于处理微流体器件中的许多微尺度效应。用户可以简便地设置耦合电动和磁动仿真——包括电泳、磁泳、介电泳、电渗和电润湿等。此外,模块中还包含了对应于稀物质的化学扩散和反应,使您能够仿真片上实验室器件中发生的过程。要仿真稀薄气体流动,可以使用特定的边界条件,这些边界条件用于滑移流模型的仿真。微流体模块还提供了通过水平集、相场和移动网格等方法仿真两相流模型。对于其中的每种方法,微流体模块的仿真功能可以考虑表面张力、毛细管力和 Marangoni 效应等。

微流体器件的仿真流程

要模拟微流体器件,需要先通过导入 CAD 文件或通过 COMSOL Multiphysics 内置的几何建模工具在软件中定义几何。对于导入几何模型,有几个选项可用:CAD 导入模块,用于导入机械 CAD 模型;ECAD 导入模块,用于导入电子布局;以及 CAD 的 LiveLink 模块,用于直接链接在专用 CAD 软件包中创建的模型。在下一个步骤中,需要选择相应的流体属性以及适合的物理接口。在接口中需要设置初始条件和边界条件。然后定义网格。在许多情况下,COMSOL 自动创建的缺省网格(根据物理场缺省设置)即可适用于模型。同样根据相关物理场软件自动设置缺省求解器,并求解问题。最后查看结果。所有这些步骤均可从 COMSOL Desktop® 中访问。微流体模块可以求解二维和三维下的稳态和瞬态流动,并且可以与其他任何专业模块耦合,进一步扩展模拟能力。例如,跟踪流体中释放的粒子,这可以通过与粒子追踪模块组合来实现。

单相流

流体流动接口使用压力、流速等物理量以及粘度、密度之类的物理属性来定义流体流动问题。层流物理接口包含不可压缩流和弱可压缩流物理模型。该流体流动接口还可以仿真非牛顿流体。当雷诺数明显小于 1 时,可以使用蠕动流物理接口。这通常称为 Stokes 流,在粘性流动占主导地位时适用。它通常适用于微流体器件。

两相流

软件含有三种不同的方法用于两相流仿真:水平集、相场和移动网格。它们用于模拟两种相界面分隔开的流体,并跟踪移动界面变化,包括界面弯曲形变和表面张力。水平集和相场方法使用固定的背景网格,并通过求解附加的方程来跟踪界面位置。移动网格方法求解移动网格上的流动方程,使用内部边界来表示流体相界面。在这种情况下,通过任意拉格朗日欧拉法 (ALE) 求解附加方程来确定网格形变。所有这些方法及其物理接口均支持可压缩和不可压缩层流,且其中一种或两种流体可以为非牛顿流体。

稀薄流体

若分子的平均自由程与流动尺度相当,则此时的流动称为稀薄气体流动。Knudsen 数(简写为 Kn )可用于描述稀薄效应对于流动的重要性。当气体变得稀薄(对应于较高的 Knudsen 数)时,Knudsen 层(壁面附近的一个平均自由程内)会开始对流动产生显著影响。Knudsen 数小于 0.01 时,可以忽略稀薄效应,微流体模块的层流物理接口可以使用无滑移边界条件。对于略微稀薄的气体 (0.01<Kn<0.1),可以通过在壁面处使用相应的边界条件和在域中使用连续 Navier-Stokes 方程来模拟 Knudsen 层。对于这种情况,微流体模块中提供了一个专用的滑动流物理接口。要对更高的 Knudsen 数模拟,需要 分子流模块

多孔介质流

微尺度几何结构内也会发生多孔介质流动。当孔隙大小处于微米范围时,流动通常主要受摩擦力影响,因而可以使用 Darcy 定律。微流体模块具有利用 Darcy 定律仿真多孔介质流的专用物理接口。在这种情况下,垂直于流动的剪切应力会被忽略。对于中间流,模块提供了 Brinkman 方程物理接口。该物理接口用于模拟不能忽略剪切应力的多孔介质流。模块同时包含了 Stokes-Brinkman 公式(适用于极低流速)和 Forchheimer 阻力(用于考虑较高速度的影响)。流体可以是不可压缩,或可压缩的(马赫数小于 0.3)。

用于自由和多孔介质流模型的专用物理接口会使用 Brinkman 方程和层流模型分别模拟两种介质内的流动,并自动设定两者之间的耦合。这些接口也适用于多孔介质内的微流体。示例应用包括纸基微流体和生物组织中的传递。

电流体力学效应

在微尺度下,可以利用一系列的电流体力学效应来影响流体流动。微流体模块是用于模拟几乎所有此类效应的优秀工具。对于给定的施加电压,电场强度会随尺度改变而发生相应比例的变化,这样可以更容易地使用适度电压对流体施加相对较大的电场。在电渗中,流体表面的带电双电层 (EDL) 中的未补偿离子会被电场移动,从而引起流体流动。微流体模块提供了一种专用的电渗流速度边界条件,作为一种流体壁边界条件。流体中带电或极化粒子上的电泳力和介电泳力可以用于驱动粒子运动,正如磁电泳中的抗磁力。粒子追踪模块内预定义了电泳和介电泳粒子作用力。微流体模块与 AC/DC 模块结合时,您可以模拟交流介电泳现象。

在微型器件中很容易通过电润湿现象操控接触角。电润湿是许多新型显示技术的基础原理。微流体模块中可以使用包含电压参数的用户定义表达式来直接控制接触角。

质量传递

微流体模块提供一个用于仿真稀物质传递的专用物理接口。该接口假设混合物中的一种成分(溶剂)过量存在(90 mol% 或更高),可以仿真这种混合物通过扩散、对流(与流体流动耦合时)和电场迁移等方式进行的化学物质传递。它通常用于模拟混合器的性能。要模拟微流体器件中的化学反应,可以将微流体模块与化学反应工程模块组合,当然,这也可以使用浓物质传递接口进行组合。

灵活而可靠的微流体仿真平台

对于每个微流体接口,基本的物理原理均通过偏微分方程以及相应初始条件和边界条件的形式表示。COMSOL 的设计强调物理场,在每个物理接口中预设了要求解的方程,并完全允许您访问底层方程组。此外,还可以非常灵活地向系统中添加用户定义方程和表达式。例如,要模拟显著影响流体粘度的某种物质的传递,只需输入随浓度变化的粘度即可——无需编写脚本或代码。当 COMSOL 编译这些方程时,这些用户定义表达式所描述的复杂耦合将自动包含在方程组中。然后,这些方程使用有限元方法和一系列工业级求解器进行求解。获得解之后,可以使用大量的后处理工具来查证数据,并生成预定义绘图来显示器件响应。COMSOL 使用户可以灵活地评估一系列广泛的物理量,包括压力、速度、剪切速率或涡度等预定义量(可在菜单中获得),以及任意的用户定义表达式。

Excel® 与 MATLAB® 交互访问

您可以通过 LiveLink for Excel® 将微流体模块与 Microsoft® Excel® 组合。该 LiveLink 模块会在 Excel 功能区中增加一个 COMSOL 选项卡和专用工具栏,用于控制参数、变量和网格,或运行计算。它还可以在 COMSOL Desktop® 中导入和导出 Excel 文件而生成参数和变量列表。

如果希望通过脚本程序的方式驱动 COMSOL 仿真,可以通过 LiveLink for MATLAB® 提供的接口将 MATLAB® 和 COMSOL 组合起来使用。使用 LiveLink,您可以通过大量 MATLAB 命令访问 COMSOL Desktop® 的所有功能。这提供了一种使用 COMSOL Desktop® 进行微流体仿真的编程式替代方法。

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