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微流體模組(Microfluidics Module)是COMSOL Multiphysics®的一個附加模組，提供了易於操作的功能，用於研究微流體裝置。重要的應用包括實驗室晶片(lab-on-a-chip)裝置、數位微流體(digital microfluidics)、電動力學(electrokinetic)和磁動力學(magnetokinetic)裝置以及噴墨印表機(inkjets)的模擬。微流體模組可用於模擬爬行流(creeping flow)、層流(laminar flow)、多孔介質(porous media)、多相流(multiphase flow)和滑移流(slip flow)，並且可以在二維(2D)和三維(3D)中解決靜態(stationary)和時變(time-dependent)流動。當與COMSOL產品套件中的其他模組結合使用時，該模組用於模擬多物理場現象的功能可以擴展到模擬流體-結構相互作用(fluid–structure interaction)、熱流(thermal flows)等。

在微尺度上描述流體

微流體流動發生在比宏觀流動小幾個數量級的長度尺度上。在微尺度上操作流體有許多優點；因為它們較小，微流體系統通常運行更快，且比其宏觀對應物需要更少的流體。

 

能量的輸入和輸出（例如，在化學反應中產生的熱量）也更容易控制，因為系統的表面積體積比大大超過宏觀系統的表面積體積比。一般來說，隨著流體流動的長度尺度減小，與系統表面積相關的特性相對於與流體體積相關的特性變得更加重要。

 

微流體模組（Microfluidics Module）專為處理動量、熱量和質量傳輸設計，並特別考慮到微尺度下的流體流動。

您可以使用微流體模組模擬的內容

使用COMSOL軟體進行各種微流體分析

實驗室晶片裝置（Lab-on-a-Chip Devices）

計算旋轉實驗室晶片平台上的徑向壓力分佈和流量。

微流體通道（Microfluidic Channels）

用流體灌注和沖洗相連的設備部件。

微泵（Micropumps）

模擬微流體系統，應用範圍從生物流體處理到微電子冷卻。

微混合器（Micromixers）

模擬不同流體流的快速混合。

噴墨打印（Inkjet Printing）

模擬噴墨打印機中的流體流動，以預測最佳的噴墨設計。

藥物輸送（Drug Delivery）

描述藥物輸送系統的運作。

燃料電池（Fuel Cells）

研究質子交換膜（PEM）燃料電池的設計和建造挑戰。

電濕潤光學裝置（Electrowetting Optical Devices）

通過改變施加於導電液體的電壓來修改接觸角。

電動力閥（Electrokinetic Valves）

分析3D微通道系統中的壓力驅動流動和電泳。

檢測測試（Detection Tests）

研究測試條中液體樣本擴散的可能對稱性。



微流體模組的特點和功能

微流體模組的功能可以解決多種模擬問題

單相流動（Single-Phase Flow）

流體流動介面使用物理量，例如壓力和流量，以及物理性質，例如黏度和密度，來定義流體流動問題。層流流動介面（Laminar Flow interface）涵蓋了不可壓縮流和弱可壓縮流。該介面還允許模擬非牛頓流體流動。當雷諾數（Reynolds number）明顯小於1時，使用爬行流動介面（creeping flow interface）。這通常被稱為斯托克斯流動（Stokes flow），適用於粘性流動占主導地位的情況。它通常適用於微流體裝置。

雙相流動

微流體模組（Microfluidics Module）提供三種不同的方法來模擬雙相流動：水平集法（level set）、相場法（phase field）和移動網格法（moving mesh）。這些方法用於模擬由移動的流體界面分隔的兩種流體，其中詳細追踪了界面，包括表面曲率和表面張力力。水平集法和相場法使用固定的背景網格，並求解額外的方程來追踪界面位置。移動網格法在移動的網格上求解流動方程，並在表面直接應用代表流體界面的邊界條件。在這種情況下，通過任意拉格朗日-歐拉（Arbitrary Lagrangian–Eulerian，ALE）方法求解網格變形的額外方程。所有這些方法及其界面都支援可壓縮和不可壓縮的層流流動，其中一種或兩種流體可以是非牛頓流體。

三相流動

層流三相流動，相場多物理界面（Laminar Three-Phase Flow, Phase Field multiphysics interface）旨在追踪三種不互溶且不可壓縮流體之間的界面。假設流動是層流的，即雷諾數（Reynolds number）較低至中等，每個相的密度是恆定的。該界面求解納維-斯托克斯方程（Navier–Stokes equations）以保守動量，以及一個連續性方程以保守質量。通過求解四個額外的傳輸方程來追踪界面位置，其中兩個用於相場變量，另外兩個用於廣義化學勢（generalized chemical potentials）。表面的運動由自由能的最小化決定。還提供了一個三元相場界面（Ternary Phase Field interface），用於通過求解兩個相場變量和兩個廣義化學勢變量來追踪三種不互溶流體之間移動的界面。

多孔介質流動

微尺度幾何結構中也可能發生多孔介質流動。當孔徑在微米範圍內時，流動通常由摩擦力主導；在這種情況下，可以使用達西定律（Darcy's law）來解決流動問題。微流體模組（Microfluidics Module）提供了一個基於達西定律的專用多孔介質流動界面。在這種情況下，忽略了垂直於流動的剪切應力。對於中間流動，提供了一個布林克曼方程（Brinkman equations）的界面。該界面模擬了在不能忽略剪切應力的多孔介質中的流動。支援斯托克斯-布林克曼（Stokes–Brinkman）公式，適用於非常低的流速，以及福爾海默阻力（Forchheimer drag），用於考慮較高速度下的效應。流體可以是不可壓縮的或可壓縮的，前提是馬赫數（Mach number）小於0.3。該公式允許自由和多孔介質模型，包括使用布林克曼方程或層流的多孔介質。

 

這些界面適用於微流體多孔介質流動。示例應用包括紙質微流體學（paper microfluidics）和生物組織中的傳輸。

物種傳輸

微流體模組（Microfluidics Module）提供了一個專用的稀釋物種傳輸界面。它用於模擬通過擴散、對流（與流體流動耦合時）和在電場中的遷移來進行化學物種傳輸的混合物，其中一個組分（溶劑）含量過多（90摩爾%或更高）。它通常用於模擬混合器的性能。對於微流體裝置中的化學反應建模，微流體模組可以與化學反應工程模組（Chemical Reaction Engineering Module）結合使用，後者還提供了具有二元擴散的濃縮物種傳輸。

稀薄和滑移流動

當分子的平均自由路徑與流動的長度尺度相當時，就會發生稀薄氣體流動。克努森數（Knudsen number，Kn）用於表徵稀薄效應對流動的重要性。隨著氣體變得更加稀薄（對應於克努森數的高低），克努森層（Knudsen layer）——位於壁面一個平均自由路徑內——開始對流動產生顯著影響。對於克努森數低於0.01的情況，可以忽略稀薄效應，並且可以使用微流體模組（Microfluidics Module）的層流界面，並應用無滑移邊界條件。對於略微稀薄的氣體（0.01 < Kn < 0.1），可以通過在壁面處的適當邊界條件以及域內的連續納維-斯托克斯方程（Navier–Stokes equations）來模擬克努森層。在這種情況下，微流體模組提供了一個滑移流動（Slip Flow）界面。要模擬更高的克努森數，則需要分子流模組（Molecular Flow Module）。

電動力流動

在模擬稀釋物種傳輸時，可以根據能斯特-普朗克方程（Nernst–Planck equation）包括靜電場中離子的電遷移。這項功能的應用包括電泳遷移率和電滲流，即電動力流動。微流體模組（Microfluidics Module）可以與化學反應工程模組（Chemical Reaction Engineering Module）結合使用，以訪問專門用於電解質建模的能斯特-普朗克界面和電泳傳輸界面（Electrophoretic Transport interface），並且可以包括泊松方程（Poisson’s equation）或電中性條件（electroneutrality condition）的公式以進行電荷平衡。能斯特-普朗克方程和泊松方程的組合可用於模擬帶電雙層和電滲流。

使用微流體模組（Microfluidics Module）擴展您的模擬

與COMSOL產品套件中的其他產品一樣，當微流體模組添加到COMSOL Multiphysics®時，其功能和特性將完全整合到模擬工作流程中，並準備好與其他模組一起使用。例如，微流體模組可以與以下模組結合使用：

 

- 熱傳遞模組（Heat Transfer Module）：用於模擬熱流動以及導熱、自然和強制對流、焦耳加熱、熱泳效應和馬蘭戈尼效應。

- 交流/直流模組（AC/DC Module）：用於研究磁泳效應和磁流體力學的影響。

- 結構力學模組（Structural Mechanics Module）：用於執行固定和變形幾何形狀的單相或多相流體-結構互動模擬。

- 化學反應工程模組（Chemical Reaction Engineering Module）：用於模擬化學反應和濃縮物種的傳輸，並獲取用於模擬電場為驅動力的電解質和離子傳輸的進階功能。

軟體展示需求

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