Микрогидродинамика

Мультифизический анализ микрогридродинамических устройств

Модуль «Микрогидродинамика», расширяющий функциональные возможности среды COMSOL Multiphysics®, содержит инструменты для численного анализа микрогидродинамических устройств. Модуль позволяет моделировать такие важные системы как «лаборатория-на-чипе», цифровые микрофлюидные устройства, электрокинетические и магнитокинетические системы, микрогидродинамические сопла. Модуль можно использовать для моделирования ползущих и ламинарных течений, течений в пористой среде, многофазных течений и течений с проскальзыванием как в стационарном, так и в нестационарном режимах в двумерных и трёхмерных областях. При комбинации с другими модулями COMSOL возможности мультифизического моделирования дополнительно расширяются, позволяя решать задачи гидроупругости, неизотермических течений и многие другие.

Связаться с COMSOL
Показано распределение концентрации в модели смешивающего канала.

Описание жидкости на микромасштабе

Микрогидродинамика изучает поведение потоков и капель жидкости на микроскопических масштабах. Микрогидродинамические системы имеют ряд преимуществ перед макроскопическими: как правило, инерционность таких систем мала, а для их работы требуется намного меньше жидкости, чем в макроскопических аналогах.

Кроме того, на микромасштабе легче контролировать потоки энергии, поскольку отношение площади поверхности к объёму здесь значительно выше, чем в макроскопических системах. В целом, при уменьшении линейного масштаба определяющую роль начинают играть поверхностные, а не объёмные свойства системы.

Модуль «Микрогидродинамика» разработан специально для моделирования процессов переноса импульса, массы и теплоты с учётом особенностей течения жидкости на микромасштабах.

Область применения модуля «Микрогидродинамика»

Анализируйте различные процессы в микрогидродинамических системах с помощью COMSOL®.

Увеличенное изображение прямоугольной модели с радужными контурами.

Лаборатория-на-чипе

Рассчитывайте распределение давления и скорости жидкости во вращающейся платформе "лаборатории-на-чипе".

Увеличенное изображение поля скорости в модели микроканала.

Течения в микроканалах

Анализируйте подачу и отвод жидкости в соединённых элементах микроустройств.

Увеличенное изображение поля скорости в модели микронасоса.

Микронасосы

Моделируйте микрогидродинамические системы, используемые в самых разных областях от обработки биологических жидкостей до охлаждения микроэлектроники.

Увеличенное изображение распределения концентрации в модели микромиксера.

Микромиксеры

Моделируйте быстрое смешение различных жидкостей.

Увеличенное изображение поля скорости в модели головки струйного принтера.

Струйные головки

Моделируйте течение жидкости в печатающих головках струйных принтеров для обеспечения их оптимальной работы.

Увеличенное изображение распределения концентрации в модели устройства для доставки лекарств.

Доставка лекарств

Анализируйте работу систем доставки лекарств.

Увеличенное изображение распределения относительной влажности в модели топливного элемента.

Топливные элементы

Исследуйте процессы в топливных ячейках с протонообменной мембраной.

Увеличенное изображение распределения скорости в модели линзы с эффектом электросмачивания.

Электросмачивание в оптических приборах

Управляйте контактным углом смачивания за счёт приложения электрического напряжения к проводящей жидкости.

Увеличенное изображение распределения концентрации в модели электрокинетического клапана.

Электрокинетические клапаны

Анализируйте вынужденное течение и электрофорез в микроканальных системах.

Увеличенное изображение четырёх полосок экспресс-теста с образцом жидкости.

Экспресс-тесты

Исследуйте возможные симметрии при растекании жидкого образца по тестовой полоске.

Функциональные возможности модуля «Микрогидродинамика»

С помощью инструментов модуля «Микрогидродинамика» можно решать множество задач моделирования.

Увеличенное изображение дерева модели в выбранным узлом Laminar Flow и модели ламинарного миксера в графическом окне.

Однофазные течения

Гидродинамические интерфейсы, включённые в группу Fluid Flow, предназначены для решения задач о течении жидкостей. Для описания потока используются физические величины и свойства среды: давление и скорость, вязкость и плотность, соответственно. Интерфейс Laminar Flow описывает течение жидкостей с постоянной плотностью и плотностью, зависящей от температуры. С помощью этого интерфейса можно также моделировать течение неньютоновских жидкостей. Если число Рейнольдса для потока много меньше единицы, можно использовать интерфейс для стоксовского течения, то есть течения, в котором силы вязкости преобладают над силами инерции. Этом режим течения характерен для микрогидродинамических устройств.

Увеличенное изображение дерева модели в выбранным узлом Three-Phase Flow, Phase Field и модели трёхфазного пузыря в графическом окне.

Трёхфазные течения

Мультифизический интерфейс Laminar Three-Phase Flow, Phase Field предназначен для расчёта границы раздела в системах, состоящих из трех несмешиваемых жидкостях с постоянными плотностями, при ламинарном режиме течения. В интерфейсе решается система уравнений Навье-Стокса, включающая уравнения сохранения массы и импульса для каждой фазы. Положение межфазной границы рассчитывается с помощью решения четырёх дополнительных уравнений переноса, а именно двух уравнений для фазового поля и двух уравнений для обобщенного химического потенциала. Движение межфазной поверхности определяется из условия минимума свободной энергии. Также в состав модуля включён интерфейс Ternary Phase Field для расчёта подвижной границы раздела трёх несмешивающихся жидкостей с помощью решения двух уравнений для фазового поля и двух уравнений для обобщённого химического потенциала.

Увеличенное изображение дерева модели в выбранным узлом Transport of Diluted Species и модели микроканала в графическом окне.

Перенос массы

В состав модуля «Микрогидродинамика» включён специальный интерфейс для анализа массопереноса в слабых растворах, в которых концентрация одного из компонентов — растворителя, намного превышает концентрацию растворённых веществ (мольная доля растворителя не меньше 90%). С помощью этого интерфейса можно моделировать перенос массы химических веществ за счёт диффузии, конвекции (в совместном решении с уравнениями гидродинамики) и миграции в электрических полях. Обычно с его помощью моделируют процессы в смесителях. Для моделирования химических реакций в микрогидродинамических устройствах модуль «Микрогидродинамика» можно скомбинировать с модулем «Химические реакции», в состав которого, помимо прочего, включен интерфейс для анализа массопереноса в концентрированных растворах на основе модели бинарной диффузии.

Увеличенное изображение окна настройки узла Transport Properties и модели электрокинетического клапана в графическом окне.

Электрокинетические течения

При моделировании массопереноса в слабых растворах для описания миграции ионов в статическом электрическом поле можно использовать уравнение Нернста-Планка. Этот механизм переноса необходимо учитывать при анализе электрокинетических течений, например электрофоретической подвижности или электроосмоса. Для решения подобных задач можно использовать комбинацию модулей «Микрогидродинамика» и «Химические реакции», которая открывает доступ к интерфейсам Nernst-Planck и Electrophoretic Transport, предназначеным для моделирования электролитов на основе уравнения Пуассона или условия электронейтральности. Комбинация уравнений Нернста-Планка и Пуассона позволяет моделировать двойной электрический слой и электроосмотические течения.

Увеличенное изображение окна настройки узла Two-Phase Flow, Level Set и модели формирования капли в графическом окне.

Двухфазные течения

Для моделирования двухфазных потоков в модуле «Микрогидродинамика» реализовано три метода: метод функции уровня, метод фазового поля и метод подвижной сетки. Эти методы применяются для точного расчёта подвижной границы раздела фаз с учётом изменения её формы, кривизны и действующих сил поверхностного натяжения. В рамках методов функции уровня и фазового поля для расчёта положения межфазной границы используется неподвижная расчётная сетка, на которой решаются дополнительные дифференциальные уравнения. Метод подвижной сетки подразумевает решение уравнений гидродинамики на изменяющейся во времени сетке, а граничные условия на границе раздела фаз задаются в явном виде. В этом случае используется комбинированный метод Лагранжа-Эйлера (ALE), в рамках которого решаются дополнительные уравнения для перемещений узлов расчётной сетки. Все перечисленные методы и реализующие их интерфейсы применимы к средам как с постоянной, так и с переменной плотностью, при этом одна или обе фазы могут быть неньютоновской жидкостью.

Увеличенное изображение дерева модели в выбранным узлом Brinkman Equations и модели пористого реактора в графическом окне.

Течения в пористых средах

Микрогидродинамические системы могут представлять собой пористую среду. Когда размер пор имеет масштаб микрометров, структура течения часто определяется силами трения в порах; в таких случаях для моделирования течения можно использовать закон Дарси. В состав модуля «Микрогидродинамика» включён специальный интерфейс для расчёта течения в пористых средах на основе уравнения Дарси. В рамках этой модели сдвиговые напряжения в направлении, перпендикулярном потоку, не учитываются. Когда это приближение не применимо и сдвиговыми напряжениями нельзя пренебречь, для моделирования течения в пористой среде можно использовать интерфейс, в котором реализованы уравнения Бринкмана. Для расчёта течения при низких скоростях можно выбрать формулу Стокса-Бринкмана, а при высоких скоростях — уравнение Форхгеймера. Жидкость может быть как несжимаемой, так и сжимаемой при условии, что число Маха не превышает 0.3. Интерфейс применим также и к системам, содержащим помимо пористых доменов свободные объёмы, в которых реализуется ламинарное течение жидкости.

Оба интерфейса позволяют моделировать микрогидродинамику пористых сред. В качестве примеров применения можно назвать моделирование течения жидкости в бумаге или в биологических тканях.

Увеличенное изображение окна настройки узла Slip Wall и тестовой модели в графическом окне.

Разреженные газы и кнудсеновские режимы

Если средняя длина свободного пробега молекул газа сопоставима с характерным линейным размером системы, то газ в такой системе является разреженным. Число Кнудсена Kn характеризует степень влияния разрежения на поток. В разреженных газах, то есть при высоких значениях Kn, на течение существенное влияние оказывает слой Кнудсена — слой газа вблизи твёрдой стенки, толщина которого примерно равна средней длине свободного пробега молекул. При Kn менее 0.01 влияние слоя Кнудсена пренебрежимо мало, и в этом случае для анализа можно использовать гидродинамические интерфейсы модуля «Микрогидродинамика» с граничными условиями «прилипания» на стенке. В слабо разреженных газах (0.01 < Kn < 0.1) учесть влияние слоя Кнудсена можно за счёт использования соответствующих граничных условий на твёрдых стенках при решении стандартных уравнений Навье-Стокса в расчётной области. Для решения подобных задач в состав модуля «Микрогидродинамика» включён специальный интерфейс Slip Flow. Для моделирования газов при более высоких Kn необходимо использовать модуль «Молекулярные течения».

Расширьте возможности моделирования с модулем «Микрогидродинамика»

Как и все остальные модули COMSOL, инструменты модуля «Микрогидродинамика» полностью интегрируются в COMSOL Multiphysics®, позволяя использовать его функциональные возможности модуля совместно с другими модулями. Например, модуль «Микрогидродинамика» может быть объединён с модулями:

  • «Теплопередача» для моделирования процессов переноса теплоты, теплопроводности, естественной и вынужденной конвекции, Джоулева нагрева, термофореза и эффекта Марангони
  • «AC/DC» для анализа магнитофореза и магнитной гидродинамики
  • «Механика конструкций» для решения задач гидроупругости в неподвижных и деформируемых системах с однофазным или многофазным течением жидкости
  • «Химические реакции» для моделирования химических реакций и массопереноса в концентрированных растворах, а также для доступа к расширенным возможностям моделирования переноса электролитов и ионов в электрических полях

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе