Модуль Микрогидродинамика

Программное обеспечение для мультифизического моделирования микрогидродинамических устройств

Модуль Микрогидродинамика

Капля чернил выталкивается через сопло и летит в воздухе до попадания в цель. Эту модель можно использовать для изучения влияния свойств чернил и профиля давления в сопле на скорость капли, объем капли и наличие вторичных капель.

Общее моделирование микрогидродинамических явлений

Модуль Microfluidics предлагает простые инструменты для изучения микрогидродинамических устройств. В число важных приложений входят моделирование работы «лабораторий на чипе», цифровой микрогидродинамики, электрокинетических и магнитокинетических устройств, а также сопел для распыления краски. В модуле имеются готовые к использованию интерфейсы и средства моделирования (так называемые «интерфейсы физик») для однофазного потока, потока в пористой среде, двухфазного потока и явлений переноса.

Переход на уровень микропотоков жидкости

Микропотоки жидкости возникают при линейных размерах на порядки меньше, чем у макроскопических потоков. Манипуляции с жидкостями в микромасштабе дают ряд преимуществ: микрогидродинамические системы обычно компактнее, работают быстрее и требуют меньшего количества жидкости, чем их макроскопические аналоги.

Также облегчается отслеживание поглощаемой и выделяемой энергии (например, выделение тепла при химической реакции), поскольку отношение поверхности системы к объему значительно выше, чем в макросистемах. В общем случае, с уменьшением расстояний в потоке текучей среды свойства, зависящие от площади поверхности системы, теряют важность в сравнении со свойствами, зависящими от объема текучей среды.

Это очевидно из самой природы текучих сред, поскольку силы вязкости, возникающие за счет сдвига по поверхностям с равными скоростями, преобладают над инерционными силами. Число Рейнольдса (Re), характеризующее соотношение этих двух сил, как правило, мало, поэтому обычно речь идет о ламинарном потоке. Во многих случаях применяется режим вязкого потока (потока Стокса) (Re « 1). Ламинарный и вязкий потоки чрезвычайно затрудняют перемешивание, поэтому массобмен зачастую ограничен диффузией. Однако даже в микрогидродинамических системах диффузия происходит очень медленно, что влияет на перенос химических частиц в этих системах. Модуль Microfluidics (Микрогидродинамика) специально предназначен для анализа передачи момента, а также теплопередачи и массообмена в потоках текучих сред в микромасштабе.


Дополнительные изображения с примерами:

  • СМЕСИТЕЛЬ С ЛАМИНАРНЫМ ПОТОКОМ: На рисунке показан поток в устройстве, предназначенном для улучшения перемешивания двух жидкостей в ламинарном потоке. Распределение давления показано на стенках смесителя, а величина скорости - на входах и выходах смесителя, а также в точке схождения двух групп каналов (с разными жидкостями). Красным цветом показаны линии тока. На врезке показана концентрация диффундирующих веществ во всего одной жидкости. Приведены графики концентрации вдоль вертикальных линий, расстояние которых от центра смесителя постепенно увеличивается. СМЕСИТЕЛЬ С ЛАМИНАРНЫМ ПОТОКОМ: На рисунке показан поток в устройстве, предназначенном для улучшения перемешивания двух жидкостей в ламинарном потоке. Распределение давления показано на стенках смесителя, а величина скорости - на входах и выходах смесителя, а также в точке схождения двух групп каналов (с разными жидкостями). Красным цветом показаны линии тока. На врезке показана концентрация диффундирующих веществ во всего одной жидкости. Приведены графики концентрации вдоль вертикальных линий, расстояние которых от центра смесителя постепенно увеличивается.
  • ЛИНЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРОСМАЧИВАНИЯ: На рисунке показана жидкостная линза с регулируемым фокусным расстоянием, радиус кривизны которой может изменяться с использованием эффекта электросмачивания. Различными цветами обозначены величина скорости потока в заполненной маслом нижней части линзы, а векторная диаграмма показывает скорость жидкости над масляной линзой. ЛИНЗА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭФФЕКТА ЭЛЕКТРОСМАЧИВАНИЯ: На рисунке показана жидкостная линза с регулируемым фокусным расстоянием, радиус кривизны которой может изменяться с использованием эффекта электросмачивания. Различными цветами обозначены величина скорости потока в заполненной маслом нижней части линзы, а векторная диаграмма показывает скорость жидкости над масляной линзой.
  • ИСПЫТАНИЕ СМЕСИТЕЛЯ С РАЗДЕЛЕНИЕМ И СЛОЖЕНИЕМ ПОТОКОВ: В этом примере моделируется канал смесителя с разделением и сложением потоков, в который вводится контрольная жидкость, в дальнейшем перемешиваемая при многократном наслоении. Диффузия исключается из этой модели введением очень низкого коэффициента диффузии, поэтому любую значимую диффузию можно изучать в интерфейсах расслоения. Результаты хорошо согласуются с указанной публикацией как по структурам расслоения, так и по полному падению давления на смесителе. ИСПЫТАНИЕ СМЕСИТЕЛЯ С РАЗДЕЛЕНИЕМ И СЛОЖЕНИЕМ ПОТОКОВ: В этом примере моделируется канал смесителя с разделением и сложением потоков, в который вводится контрольная жидкость, в дальнейшем перемешиваемая при многократном наслоении. Диффузия исключается из этой модели введением очень низкого коэффициента диффузии, поэтому любую значимую диффузию можно изучать в интерфейсах расслоения. Результаты хорошо согласуются с указанной публикацией как по структурам расслоения, так и по полному падению давления на смесителе.
  • ДВУХФАЗНЫЙ ПОТОК: При наличии нескольких фаз влияние поверхностного натяжения при малых размерах становится существенным по сравнению с силами гравитации и инерции. Лапласово давление (скачок давления на границе двух фаз), капиллярные силы и силы Марангони изменяются обратно пропорционально расстоянию. На приведенном ниже рисунке показано дробление капель масла для получения эмульсии в процессе поступления масла в канал, по которому течет другая жидкость. Показаны направления скорости потока, а также скорость жидкости в плоскости симметрии. Граница раздела двух фаз показана зеленым цветом. ДВУХФАЗНЫЙ ПОТОК: При наличии нескольких фаз влияние поверхностного натяжения при малых размерах становится существенным по сравнению с силами гравитации и инерции. Лапласово давление (скачок давления на границе двух фаз), капиллярные силы и силы Марангони изменяются обратно пропорционально расстоянию. На приведенном ниже рисунке показано дробление капель масла для получения эмульсии в процессе поступления масла в канал, по которому течет другая жидкость. Показаны направления скорости потока, а также скорость жидкости в плоскости симметрии. Граница раздела двух фаз показана зеленым цветом.
  • РАБОЧИЙ СТОЛ COMSOL: Весь проект по моделированию от начала до конца может выполняться в рамках COMSOL Desktop®. Визуализация отображает исследование нестационарного однофазного потока в микроканале, используемого для заполнения и промывки другого элемента оборудования жидкостью. РАБОЧИЙ СТОЛ COMSOL: Весь проект по моделированию от начала до конца может выполняться в рамках COMSOL Desktop®. Визуализация отображает исследование нестационарного однофазного потока в микроканале, используемого для заполнения и промывки другого элемента оборудования жидкостью.
  • ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ: В этом смесителе используются преимущества электроосмоса для смешивания жидкостей. Создается переменное во времени электрическое поле, возникающий в результате электроосмос возмущает поток. На упрощенной визуализации показано расширенное складывание и развертывание поля потока. ЭЛЕКТРООСМОТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ: В этом смесителе используются преимущества электроосмоса для смешивания жидкостей. Создается переменное во времени электрическое поле, возникающий в результате электроосмос возмущает поток. На упрощенной визуализации показано расширенное складывание и развертывание поля потока.

Универсальные мультифизические среды COMSOL специально предназначены для работы со множеством микромасштабных явлений, используемых в микрогидродинамических устройствах. Они позволяют легко проводить взаимосвязанное моделирование электрокинетических и магнитокинетических процессов, включая электрофорез, магнитофорез, диэлектрофорез, электроосмос и электросмачивание. Кроме того, включенные в модуль химическая диффузия и реакции между растворенными веществами позволяют имитировать процессы, проходящие в устройствах типа «лаборатория на чипе». Для моделирования потоков разреженных газов можно использовать специальные граничные условия, активирующие моделирование потока в режиме двухфазного течения со скольжением. В модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) также имеются специальные методы моделирования двухфазных потоков с использованием функции уровня, фазового поля и подвижных сеток. Для каждого из этих методов в модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) предусмотрен учет сил поверхностного натяжения, капиллярных сил и эффекта Марангони.

Процесс моделирования микрогидродинамических устройств

Моделирование микрогидродинамических устройств начинается с задания геометрии в программном обеспечении путем импорта файла САПР или с помощью инструментов для моделирования геометрии, имеющихся в среде COMSOL Multiphysics. Для импорта геометрических модулей можно использовать один из следующих вариантов: модуль CAD Import (Импорт САПР) для импорта механических моделей САПР; модуль ECAD Import для импорта электронных схем и продукты LiveLink™ для САПР для непосредственной привязки к моделям, созданным в специализированном программном пакете САПР. На следующем шаге выбирают свойства соответствующей жидкости и подходящий физический интерфейс. В интерфейсе задаются начальные и граничные условия. Затем пользователь задает сетку. Во многих случаях для решения задачи подходит сетка, автоматически создаваемая системой COMSOL с использованием параметров по умолчанию, зависящих от используемого физического интерфейса. Выбирается решатель, также с использованием значений по умолчанию, присущих выбранному физическому интерфейсу, и задача решается. Наконец, возможно визуальное представление результатов. Все эти шаги выполняются с COMSOL Desktop®. В модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) можно находить решения для стационарных и нестационарных двумерных и трехмерных потоков. Этот модуль допускает объединение с любыми дополнительными продуктами для дальнейшего расширения возможностей моделирования. Один из таких примеров - это отслеживание частиц, выпущенных в поток, что достигается в комбинации с модулем Particle Tracing (Трассировка частиц).

Однофазный поток

В интерфейсе Fluid Flow (Поток жидкости) для определения задачи потока жидкости используются количественные физические характеристики, такие как давление и расход, и физические свойства, такие как плотность и вязкость. Физический интерфейс для ламинарного потока используется для несжимаемых и слабо сжимаемых потоков. Интерфейс Fluid Flow также позволяет моделирование поток неньютоновской жидкости. Если число Рейнольдса значительно меньше 1, применяется физический интерфейс для ползучего потока, часто называемого потоком Стокса. Он используется при преимущнственно вязком течении жидкости. Обычно этот интерфейс может применяться для микрогидродинамических устройств.

Двухфазный поток

Для двухфазных потоков используются три различных метода: функции уровня, фазового поля и подвижных сеток. Они используются для моделирования двух жидкостей, разделенных границей, при этом детально отслеживается подвижная граница раздела, включая кривизну поверхности и силы поверхностного натяжения. В методах функции уровня и фазового поля используется фиксированная сетка, и решаются дополнительные уравнения для отслеживания положения границы раздела. В методе подвижных сеток решаются уравнения потока на подвижной сетке с граничными условиями, представляющими границу раздела жидкостей. В этом случае произвольным методом Лагранжа – Эйлера (ALE) решаются дополнительные уравнения деформации сетки. Все эти методы и их физические интерфейсы применимы как к сжимаемым, так и к несжимаемым ламинарным потокам, из которых один или оба могут быть неньютоновскими.

Разреженный поток

Режим разреженного потока газа возникает, когда средняя длина свободного пробега молекулы становится сравнимой с линейным размером потока. Число Кнудсена Kn описывает влияние эффектов разрежения на поток. По мере разрежения газа (что соответствует росту числа Кнудсена), слой Кнудсена, занимающий одну среднюю длину свободного пробега от стенки, начинает оказывать значительное влияние на поток. При числе Кнудсена менее 0,01 разрежением можно пренебречь, в этом случае можно использовать физические интерфейсы ламинарного потока из модуля Microfluidics (Микрогидродинамика) с граничными условиями отсутствия проскальзывания. Для слабо разреженных газов (0,01<Kn<0,1) слой Кнудсена можно моделировать, используя соответствующие граничные условия на стенках в сочетании с уравнениями движения непрерывного потока Навье – Стокса в объеме. Для этого случая в модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) предусмотрен специальный физический интерфейс Slip Flow (Поток со скольжением). Для моделирования при больших числах Кнудсена требуется модуль Molecular Flow (Молекулярные течения).

Поток в пористой среде

Поток в пористой среде также может возникать в микроскопических структурах. Этот поток часто определяется трением, если диаметр отверстия составляет несколько микрон, и если применим закон Дарси. В модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) имеется специализированный интерфейс физики для потоков в пористых средах, основанный на законе Дарси. В этом случае пренебрегают напряжениями сдвига, перпендикулярными направлению потока. Для переходных режимов потока предусмотрен интерфейс на основе уравнений Бринкмана. Он позволяет моделировать поток в пористой среде, если нельзя пренебречь напряжениями сдвига. Поддерживаются формула Стокса – Бринкмана, пригодная для очень малых скоростей потока, и формула Форхгеймера, используемая для учета явлений, возникающих при более высоких скоростях. Жидкость может быть несжимаемой или сжимаемой, при условии, что число Маха менее 0,3.

В специальном интерфейсе физики для моделей свободных и пористых сред для всех сред используются уравнения Бринкмана и ламинарного потока, их взаимодействие осуществляется автоматически. Эти интерфейсы могут использоваться для микрогидродинамического потока в пористой среде. Примеры применения: микропотоки в бумаге и перенос веществ в биологических тканях.

Электрогидродинамические эффекты

В микромасштабе можно исследовать ряд гидродинамических эффектов, влияющих на течение жидкости. Модуль Microfluidics (Микрогидродинамика) – это прекрасное средство для моделирования практически любых таких эффектов. При уменьшении размера напряженность электрического поля для заданного приложенного напряжения возрастает, что облегчает приложение к жидкости достаточно сильных полей при умеренном напряжении. При электроосмосе находящиеся на поверхностях жидкостей некомпенсированные ионы в заряженном двойном электрическом слое (EDL) перемещаются электрическим полем, что вызывает результирующий поток жидкости. В модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) задается специализированное граничное условие для скорости электроосмотического потока в качестве одного из нескольких граничных условий на стенке. Электрофоретические и диэлектрофоретические силы, воздействующие на заряженные или поляризованные частицы жидкости, могут использоваться для перемещения частиц. В случае магнитофореза для этого могут использоваться диамагнитные силы. В модуле Particle Tracing (Трассировка частиц) учитываются действующие на частицы электрофоретические и диэлектрофоретические силы.Сочетая модули Microfluidics (Микрогидродинамика) и AC/DC (Переменный/постоянный ток), можно моделировать диэлектрофорез при переменном токе.

Кроме того, в микромасштабных устройствах можно легко изменять краевые углы смачивания, используя явление электросмачивания. Электросмачивание – это явление, используемое в качестве основы для многих современных технологий создания изображений. Модуль Microfluidics (Микрогидродинамика) позволяет непосредственно изменять краевой угол смачивания, используя задаваемые пользователем выражения, включающие параметры напряжения.

Массообмен

В модуле Microfluidics (Микрогидродинамика) имеется специальный интерфейс физики для моделирования процесса переноса растворенных веществ. Он используется для моделирования процесса переноса химических веществ путем диффузии, конвекции (в сочетании с потоком жидкости) и миграции в электрических полях для смесей, в которых сильно преобладает один из компонентов, а именно растворитель (90 мол.% или более). Обычно он используется для моделирования работы смесителей. Для моделирования химических реакций в микрогидродинамических устройствах можно совместно использовать модуль Microfluidics (Микрогидродинамика) и модуль Chemical Reaction Engineering (Разработка химических реакций), который также позволяет моделировать перенос концентрированных веществ с двойной диффузией.

Универсальная и надежная платформа для моделирования микрогидродинамических процессов

В каждом интерфейсе модуля Микрогидродинамика (Microfluidics) физические принципы, на которых он основан, выражены в виде дифференциальных уравнений в частных производных, а также соответствующих начальных и граничных условий. Архитектура COMSOL подчеркивает физические принципы, обеспечивая полностью решенные и полный доступ к базовой системе уравнений. Кроме того, предоставляется исключительная гибкость при добавлении пользователям собственных уравнений и выражений в систему. Например, для моделирования переноса веществ, существенно меняющих вязкость жидкости, необходимо ввести только зависимость вязкости от концентрации, и не требуется составлять сценарии или писать программный код. После компиляции этих уравнений COMSOL в систему уравнений автоматически включаются сложные связи, созданные этими уравнениями пользователя. Затем уравнения решаются методом конечных элементов с использованием нескольких решателей промышленного класса. После получения решения можно использовать широкий спектр средств постобработки для запроса данных. Автоматически строятся предварительно заданные графики для отображения реакции устройств. Среда COMSOL обладает достаточной гибкостью для оценки широкого диапазона физических параметров, включая предварительно заданные значения, такие как давление, скорость, скорость сдвига или турбулентность (с помощью простого в использовании меню), а также произвольные выражения пользователя.

Взаимодействие с Excel® и MATLAB®

Возможности модуль Microfluidics (Микрогидродинамика) можно использовать совместно с Microsoft® Excel®, используя LiveLink™ for Excel®. LiveLink™ добавляет вкладку COMSOL и специализированную панель инструментов в ленту Excel для управления параметрами, переменными и сеткой или для запуска моделирования. В нем также имеется функция импорта и экспорта файлов Excel со списками параметров и переменных в COMSOL Desktop®.

Если требуется управлять моделированием COMSOL с помощью написания сценариев, то можно совместно использовать MATLAB® и COMSOL с помощью интерфейса, имеющегося в LiveLink™ for MATLAB®. С помощью LiveLink™ можно получить доступ ко всем функциям COMSOL Desktop®, используя множество команд MATLAB. Это создает программную альтернативу при использовании COMSOL Desktop® для моделирования микропотоков жидкости.

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

Multiphysics Simulations Enable Development of Fast, Cheap MEMS-Based Bacteria Detector

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Gaining Insight into Piezoelectric Materials for Acoustic Streaming

Optimizing Hematology Analysis: When Physical Prototypes Fail, Simulation Provides the Answers

Capillary Filling - Phase Field Method

Transport in an Electrokinetic Valve

Lamella Mixer

Controlled Diffusion Micromixer

Electroosmotic Micromixer

Inkjet

Drug Delivery System

Electrowetting Lens

Red Blood Cell Separation