• Description

用於微流控器件的多物理場模擬軟體

通用微流體模擬

微流體模組為您提供了一些易用的工具,用於研究微流體器件。重要的應用包括模擬片上實驗室晶片、數位微流體、電動與磁動器件,以及噴墨印表機等。微流體模組包含了預設的用戶介面和模擬工具(稱為物理介面),可用於單相流、多孔介質流、兩相流和輸送現象。

 

  • 薄片混合器:图中所示的器件可以增?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?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。
  • 分裂和重组搅拌器标准模型:本案例模?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?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。
  • 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?刷器件。
  • 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。

降低流體尺度

微流體流動一般產生在比宏觀流動小幾個數量級的長度尺度下。微尺度下的流體操控有很多優點——微流體系統通常更小、運行速度更快,並且需要的流體比相應的宏觀系統少。

能量輸入和輸出也更易於控制(例如,化學反應中產生的熱量),因為系統的表面積-體積比遠大於宏觀系統。一般情況下,隨著流體流動尺度的減小,與那些隨流體體積成比例變化的屬性相比,隨系統表面積成比例變化的屬性會變得相對重要。

在流體流動中,速度等位面上的由剪切作用而產生的粘性力相對慣性力占主導作用,因此這種現象在流體流動中表現明顯。描述這兩種力之比的雷諾數 (Re) 通常很低,所以此種流體通常為層流。在許多情況下,可以使用潛變 (Stokes) 流模型 (Re«1)。層流和潛變流使混合變得特別困難,所以質量傳遞通常受擴散限制,但即使在微流體系統中,擴散通常也是一個緩慢的過程。而這會影響微流體系統內的化學物質傳遞。微流體模組專門用於處理動傳、傳熱和質傳過程,特別考慮微尺度下的流體流動。

COMSOL 的通用多物理場耦合功能特別適合於處理微流體器件中的許多微尺度效應。用戶可以簡便地設置耦合電動和磁動模擬——包括電泳、磁泳、介電泳、電滲和電潤濕等。此外,模組中還包含了對應於稀物質的化學擴散和反應,使您能夠模擬片上實驗室晶片中發生的過程。要模擬稀薄氣體流動,可以使用特定的邊界條件,這些邊界條件用於滑移流模型的模擬。微流體模組還提供了通過等位函數、相場和移動網格等方法模擬兩相流模型。對於其中的每種方法,微流體模組的模擬功能可以考慮表面張力、毛細管力和 Marangoni 效應等。

微流體器件的模擬流程

要模擬微流體器件,需要先通過導入 CAD 文件或通過 COMSOL Multiphysics 內置的幾何建模工具在軟體中定義幾何。對於導入幾何模型,有幾個選項可用:CAD 導入模組,用於導入機械 CAD 模型;ECAD 導入模組,用於導入電子佈局;以及 CAD LiveLink™ 模組,用於直接鏈接在專用 CAD 軟體包中創建的模型。在下一個步驟中,需要選擇相應的流體屬性以及適合的物理介面。在介面中需要設置初始條件和邊界條件。然後定義網格。在許多情況下,COMSOL 自動創建的預設網格(根據物理場預設設置)即可適用於模型。同樣根據相關物理場軟體自動設置預設求解器,並求解問題。最後查看結果。所有這些步驟均可從 COMSOL Desktop® 中存取。微流體模組可以求解二維和三維下的穩態和瞬態流動,並且可以與其他任何專業模組耦合,進一步擴展模擬能力。例如,跟蹤流體中釋放的粒子,這可以通過與粒子追蹤模組組合來實現。

單相流

流體流動介面使用壓力、流速等物理量以及粘度、密度之類的物理屬性來定義流體流動問題。層流物理介面包含不可壓縮流和弱可壓縮流物理模型。該流體流動介面還可以模擬非牛頓流體。當雷諾數明顯小於 1 時,可以使用潛變流物理介面。這通常稱為 Stokes 流,在粘性流動占主導地位時適用。它通常適用於微流體器件。

兩相流

軟體含有三種不同的方法用於兩相流模擬:等位函數、相場和移動網格。它們用於模擬兩種相界面分隔開的流體,並跟蹤移動界面變化,包括界面彎曲形變和表面張力。等位函數和相場方法使用固定的背景網格,並通過求解附加的方程來跟蹤界面位置。移動網格方法求解移動網格上的流動方程,使用內部邊界來表示流體相界面。在這種情況下,通過任意拉格朗日歐拉法(ALE) 求解附加方程來確定網格形變。所有這些方法及其物理介面均支持可壓縮和不可壓縮層流,且其中一種或兩種流體可以為非牛頓流體。

稀薄流體

若分子的平均自由程與流動尺度相當,則此時的流動稱為稀薄氣體流動。Knudsen (簡寫為 Kn )可用於描述稀薄效應對於流動的重要性。當氣體變得稀薄(對應於較高的 Knudsen 數)時,Knudsen 層(壁面附近的一個平均自由程內)會開始對流動產生顯著影響。Knudsen 數小於 0.01 時,可以忽略稀薄效應,微流體模組的層流物理介面可以使用無滑移邊界條件。對於略微稀薄的氣體 (0.01<Kn<0.1),可以通過在壁面處使用相應的邊界條件和在域中使用連續 Navier-Stokes 方程來模擬Knudsen 層。對於這種情況,微流體模組中提供了一個專用的滑動流物理介面。要對更高的 Knudsen 數模擬,需要 分子流模組

多孔介質流

微尺度幾何結構內也會發生多孔介質流動。當孔隙大小處於微米範圍時,流動通常主要受摩擦力影響,因而可以使用 Darcy 定律。微流體模組具有利用 Darcy 定律模擬多孔介質流的專用物理介面。在這種情況下,垂直於流動的剪切應力會被忽略。對於中間流,模組提供了 Brinkman 方程物理介面。該物理介面用於模擬不能忽略剪切應力的多孔介質流。模組同時包含了Stokes-Brinkman 公式(適用於極低流速)和 Forchheimer 阻力(用於考慮較高速度的影響)。流體可以是不可壓縮,或可壓縮的(馬赫數小於 0.3)。

用於自由和多孔介質流模型的專用物理介面會使用 Brinkman 方程和層流模型分別模擬兩種介質內的流動,並自動設定兩者之間的耦合。這些介面也適用於多孔介質內的微流體。示例應用包括紙基微流體和生物組織中的傳遞。

電流體力學效應

在微尺度下,可以利用一系列的電流體力學效應來影響流體流動。微流體模組是用於模擬幾乎所有此類效應的優秀工具。對於給定的施加電壓,電場強度會隨尺度改變而發生相應比例的變化,這樣可以更容易地使用適度電壓對流體施加相對較大的電場。在電滲中,流體表面的帶電雙電層 (EDL) 中的未補償離子會被電場移動,從而引起流體流動。微流體模組提供了一種專用的電滲流速度邊界條件,作為一種流體壁邊界條件。流體中帶電或極化粒子上的電泳力和介電泳力可以用於驅動粒子運動,正如磁電泳中的抗磁力。粒子追蹤模組內預定義了電泳和介電泳粒子作用力。微流體模組與AC/DC 模組結合時,您可以模擬交流介電泳現象。

在微型器件中很容易通過電潤濕現象操控接觸角。電潤濕是許多新型顯示技術的基礎原理。微流體模組中可以使用包含電壓參數的用戶定義表達式來直接控制接觸角。

質量傳遞

微流體模組提供一個用於模擬稀物質傳遞的專用物理介面。該介面假設混合物中的一種成分(溶劑)過量存在(90 mol% 或更高),可以模擬這種混合物通過擴散、對流(與流體流動耦合時)和電場遷移等方式進行的化學物質傳遞。它通常用於模擬混合器的性能。要模擬微流體器件中的化學反應,可以將微流體模組與化學反應工程模組組合,當然,這也可以使用濃物質傳遞介面進行組合。

靈活而可靠的微流體模擬平臺

對於每個微流體介面,基本的物理原理均通過偏微分方程以及相應初始條件和邊界條件的形式表示。COMSOL 的設計強調物理場,在每個物理介面中預設了要求解的方程,並完全允許您存取底層方程組。此外,還可以非常靈活地向系統中添加用戶定義方程和表達式。例如,要模擬顯著影響流體粘度的某種物質的傳遞,只需輸入隨濃度變化的粘度即可——無需編寫腳本或代碼。當 COMSOL 編譯這些方程時,這些用戶定義表達式所描述的複雜耦合將自動包含在方程組中。然後,這些方程使用有限元方法和一系列工業級求解器進行求解。獲得解之後,可以使用大量的後處理工具來查證數據,並生成預定義繪圖來顯示器件響應。COMSOL 使用戶可以靈活地評估一系列廣泛的物理量,包括壓力、速度、剪切速率或渦度等預定義量(可在菜單中獲得),以及任意的用戶定義表達式。

Excel®  MATLAB® 交互存取

您可以通過 LiveLink™ for Excel® 將微流體模組與 Microsoft®Excel® 組合。該 LiveLink™ 模組會在 Excel 功能區中增加一個COMSOL 選項卡和專用工具欄,用於控制參數、變量和網格,或運行計算。它還可以在 COMSOL Desktop® 中導入和導出Excel 文件而生成參數和變量列表。

如果希望通過腳本程序的方式驅動 COMSOL 模擬,可以通過 LiveLink™ for MATLAB® 提供的介面將 MATLAB®  COMSOL組合起來使用。使用 LiveLink™,您可以通過大量 MATLAB 命令存取 COMSOL Desktop® 的所有功能。這提供了一種使用COMSOL Desktop® 進行微流體模擬的編程式替代方法。