微流体模块

多物理场仿真助力微流体装置研究

“微流体模块”是 COMSOL Multiphysics®的一款附加产品,为研究微流体装置提供了易于操作的功能,其重要应用包括芯片实验室设备、数字微流体、电动和磁动装置以及喷墨打印机的仿真。“微流体模块”可用于模拟蠕动流、层流、多孔介质流、多相流和滑移流,并能够在二维和三维中求解稳态和瞬态流动问题。此外,当与 COMSOL 产品库中的其他模块耦合使用时,还能够扩展到更多领域的多物理场耦合仿真,包括流-固耦合、热流等多物理场现象。

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显示浓度的分裂和重组混合器通道模型。

揭示微观尺度下的流体行为

微流体流动的长度尺度比宏观流动小几个数量级,使得在微观尺度上操纵流体具有诸多优势。首先,由于微流体系统相对较小,通常会比宏观等效系统运行得更快,并且所需的流体也更少。

此外,由于系统的比表面积远大于宏观系统,因此更容易控制能量的输入和输出(例如化学反应中产生的热量)。一般来说,随着流体流动的长度尺度不断减小,与系统表面积成比例的属性相对于与流动体积成比例的属性更加关键。

“微流体模块”专为处理动量、热量和质量传递而设计,特别关注微观尺度下的流体流动。

微流体模块支持的建模对象

借助 COMSOL®软件,您可以进行各种微流体分析。

具有彩虹色等值线的矩形模型的特写视图。

芯片实验室设备

计算旋转芯片实验室平台的径向压力分布和流率。

显示速度场的微通道模型的特写视图。

微流体通道

用流体注入并冲洗连接的设备部件。

显示速度场的微泵模型的特写视图。

微泵

对微流体系统进行建模,其应用范围涵盖从生物流体处理到微电子冷却的广泛领域。

显示浓度的微混合器模型的特写视图。

微混合器

模拟不同流体流的快速混合过程。

显示速度大小的喷墨打印机模型的特写视图。

喷墨打印

对喷墨打印机中的流体流动进行建模,预测最佳喷墨设计。

显示浓度的药物输送装置模型的特写视图。

药物输送

描述药物输送系统的工作情况。

显示相对湿度的燃料电池模型的特写视图。

燃料电池

突破质子交换膜(PEM)燃料电池的设计与构造挑战。

显示速度大小的电润湿透镜模型的特写视图。

电润湿光学器件

通过改变导电液体的外加电压来调整接触角。

显示浓度的电动阀模型的特写视图。

电动阀

分析三维微通道系统中的压力驱动流和电泳。

使用液体样品进行的四个检测试验的特写视图。

检测试验

研究液体样品在试纸条上扩散过程中可能存在的对称性。

微流体模块的特征和功能

“微流体模块”提供了一系列强大的功能,可以解决各种仿真问题。

“模型开发器”(其中突出显示“层流”节点)和“图形”窗口(显示薄板混合器模型)的特写视图。

单相流

流体流动接口使用物理量(如压力和流率)以及物理属性(如黏度和密度)来定义流体流动问题。层流接口广泛涵盖了不可压缩流和弱可压缩流的仿真,并支持模拟非牛顿流体流动。对于雷诺数明显小于 1 的情况,还可以使用蠕动流接口,通常也称为斯托克斯流,主要适用于微流体装置中黏性流动占主导的情况。

“模型开发器”(其中突出显示“三相流,相场”节点)和“图形”窗口(显示三相气泡模型)的特写视图。

三相流

层流三相流,相场多物理场接口用于跟踪三种不混溶且不可压缩流体之间的界面。我们假设流动为层流,适用于低至中等雷诺数,并且各相的密度保持恒定。通过求解动量守恒的纳维-斯托克斯方程和质量守恒的连续性方程,以及四个附加的输运方程(两个用于相场变量,两个用于广义化学势)来跟踪界面的位置,其中的表面运动由最小化自由能来确定。此外,三元相场接口还能够通过求解两个相场变量和两个广义化学势变量来跟踪三种不混溶流体之间的移动界面。

“模型开发器”(其中突出显示“稀物质传递”节点)和“图形”窗口(显示微通道模型)的特写视图。

物质传递

“微流体模块”提供了一个专用的接口用于分析稀物质传递,可用于模拟化学物质在电场中通过扩散、对流(与流体流动耦合时)和迁移进行的传递过程,其中一种成分(溶剂)过量(大于等于 90 mol%)。本模块通常用于对混合器的性能进行建模,为了模拟微流体装置中的化学反应,还可以将“微流体模块”与化学反应工程模块结合使用,通过二元扩散实现浓物质传递。

“传递属性”设置和“图形”窗口(显示电动阀模型)的特写视图。

电动流动

在进行稀物质传递建模时,可以根据 Nernst-Planck 方程来描述离子在静电场中的电迁移。这一功能的应用包括电泳迁移率和电渗流,即电动流动。通过将“微流体模块”与“化学反应工程模块”耦合使用,您可以方便地使用专为电解质建模而设计的Nernst-Planck电泳输送接口,并可以包含泊松方程的公式或电荷平衡的电中性条件。通过综合运用 Nernst-Planck 方程与泊松方程,可以模拟双电层和电渗流现象。

“两相流,水平集”节点设置和“图形”窗口(显示液滴破碎模型)的特写视图。

两相流

“微流体模块”提供了三种不同的方法来模拟两相流:水平集方法、相场法和动网格方法。这些方法适用于模拟由运动流体界面分隔的两种流体,并能够详细跟踪界面的属性,包括表面曲率和表面张力。水平集和相场方法采用固定背景网格,并求解额外的方程来跟踪界面的位置。而动网格方法求解动网格上的流动方程,并在表面直接施加表示流体界面的边界条件。在这种情况下,可以采用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法来求解网格变形的附加方程。所有这些方法及其接口都支持可压缩和不可压缩层流,其中一种或两种流体可以是非牛顿流体。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“Brinkman 方程”节点;“图形”窗口中显示多孔反应器模型。

多孔介质流动

在微观几何结构中,多孔介质流动是一种常见现象。当孔径在微米范围内时,流动通常以摩擦为主;在这种情况下,可以使用达西定律来求解流动问题。为了满足这一需求,“微流体模块”提供了基于达西定律的多孔介质流动专用接口,其中忽略了与流动方向垂直的剪切应力。对于中间流,我们还提供了基于 Brinkman 方程的接口,用于模拟穿过多孔介质的流动,其中剪切应力无法被忽略,并支持 Stokes-Brinkman 公式(适用于非常低流速的情况)和 Forchheimer 阻力(用于解释较高流速的影响)。只要马赫数小于 0.3,流体既可以是不可压缩流,也可以是可压缩流。该公式允许自由和多孔介质模型,包括使用 Brinkman 方程或层流的多孔介质。

这些接口适用于研究和模拟微流体多孔介质流动,典型应用包括纸芯片微流控和生物组织中的传输现象。

“滑移壁”设置和“图形”窗口(显示基准模型)的特写视图。

稀薄气体流动和滑移流

当分子的平均自由程与流动的长度尺度相当时,就会发生稀薄气体流动现象,这种稀薄效应对于流体的重要性可以通过克努森数 Kn 来衡量。随着气体变得更加稀薄(即克努森数增大),存在于壁面上的一个平均自由程内的克努森层开始对流动产生显著影响。当克努森数小于 0.01 时,可以忽略稀薄效应,并且“微流体模块”的层流接口可以与非滑移边界条件结合使用。对于稍微稀薄的气体(0.01 < Kn < 0.1),可以通过适当的壁面边界条件和域中的连续纳维-斯托克斯方程对克努森层进行建模。在这种情况下,可以使用“微流体模块”中的滑移流接口。为了模拟更高的克努森数,需要使用分子流模块

使用微流体模块扩展建模功能

与 COMSOL 产品库中的其他产品一样,当您将“微流体模块”添加到 COMSOL Multiphysics®中时,可以将其中的特征和功能完全集成到建模工作流程中,并与其他模块一起使用。例如,与以下模块进行耦合:

  • 传热模块,用于模拟热流以及传导、自然对流和强制对流、焦耳热、热泳和马兰戈尼效应
  • AC/DC 模块,用于研究磁泳和磁流体动力学的影响
  • 结构力学模块,用于对单相流或多相流的固定和变形几何进行流-固耦合仿真
  • 化学反应工程模块,用于模拟化学反应和浓物质传递,并提供先进的能力来模拟以电场为驱动力的电解质和离子的传递

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