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模拟电渗流和双电层
微流控设备非常小，因此控制和混合设备内液体的微泵和微混合器不能包含任何移动部件。作为替代，它们必须利用电渗流工作。这篇博客，我将介绍电渗流和双电层的概念，以及如何在 COMSOL 中建立这些模型，并演示 2 个实例模型。 微流控设备需要无移动部件的泵和混合器 近年来，微流控片上实验室系统在将传统的实验室规模的化学和生物分析的尺寸缩小到毫米到几厘米大小的片上形式上发挥了重要作用。这些设备通常被称为微型全分析系统（μTAS），并在医疗诊断、药物测试和输送、法医分析、DNA 分析，甚至免疫分析和毒性监测等方面都有着深度应用。由于尺寸极小，这些设备具有如即时检测（POCT）和诊断等众多优势。微流控设备需要的液体体积更小，适用于没有大量样品或试剂昂贵的应用。这些设备还可以一次处理多个样本（称为并行处理），并且对功率的要求低。 在典型的片上实验室系统中，片上混合和流体控制非常重要，通常这些系统需要使用微泵来控制通道内的流体流动，以及微混合器来加速混合过程。这些芯片中的流体通道的尺寸通常在 1µm 到 500µm 之间变化。在这种长度尺度上，使用任何移动部件来建造泵和混合器都是不实际的。没有移动部件的设备也更加可靠。那么，如何在没有任何移动部件的情况下激活流动？答案是：电渗。 什么是“电渗”？ 在微流控领域，流动通常由电场驱动。顾名思义，电渗 指由外加电势引起的液体在微通道上的运动。用电场驱动流动，可以制造出没有移动部件的 泵和混合器。 是什么在驱动电渗流动？ 为了更好地理解电场是如何驱动流动的，我们首先要了解在微通道内非常靠近壁的地方，即流-固界面处发生了什么。大多数的片上实验室设备是由硅玻璃制成的。当与流体（可以是水或任何缓冲溶液）接触时，玻璃表面参与酸碱反应和离子交换——我们把这个复杂的过程称为表面化学。由于表面化学作用，玻璃表面获得负密度电荷。为了对这种表面化学进行连续描述，引入了双电层的概念。双电层反映了流-固界面处的不均匀的电荷（离子）分布，且在物体表面分为两层： 第一层，被称为表面电荷层，是由于化学反应而被表面吸收的离子（在这种情况下是负电荷）组成的。 第二层，被称为扩散层，由受电吸引力和热运动的影响而被吸引到表面的自由离子组成。第二层电荷屏蔽了表面电荷，其净电荷与表面电荷相等，但极性相反。 双电层。 上图总结了双电层 的结构，显示了离子的分布是到玻璃壁面距离的函数，以及双电层中的电位（上面的蓝线）与电中性体中的一个点的关系。如果我们仔细观察扩散层，可以注意到它可以进一步被分成由滑动平面隔开的两部分。这个平面将左边的不动的流体（附着在表面上）与在切向应力影响下自由运动的流体分开。然后，由于库仑力的作用，可以使用电场来诱导双电层中净电荷的运动。离壁更远的地方是第三层，即电中性体。 由于在微流体通道中很难在不破坏流动的情况下进行任何形式的测量，所以通常从计算的角度对这些芯片进行分析。那么，如何使用仿真软件对其进行建模呢？ 双电层模拟 这个问题包含三个物理场： 静电 物理场包含方程、边界条件和空间电荷，用于求解电势问题。电场是由电势场(E=-\nabla V)的梯度恢复的。空间电荷是由阴阳离子的贡献加起来得到的。这些离子的浓度是通过稀物质传递 接口计算出来的。 稀物质传递 接口求解了混合物中稀释物质的质量输送问题，求解了物质浓度问题。化学物质是通过扩散（菲克定律）、迁移（当与电场耦合时。在这种情况下，电场由静电 接口计算）和对流（当与流体流动耦合时。在这里，流体流动是由层流接口 计算的）模拟的。 层流接口有方程、边界条件和体积力，使用的是纳维-斯托克斯方程边界条件模拟自由运动的流体，求解速度场和压力问题。体积力 \rho{e} E，其中 \rho{e} 是电荷密度，由静电 接口计算。 双电层的厚度一般在几纳米左右，离子浓度在壁附近呈指数级变化。由于双电层的厚度非常小，在这个区域使用近似值可能是有利的。COMSOL 包含一个电渗速度边界条件，它忽略了壁面和滑动平面之间的流场，并根据 Zeta 电位用 Helmholtz-Smoluchowski 关系分析计算壁面的速度： \textbf{u}=\frac{\epsilon{W}\zeta{0}}{\eta}\nabla_{T}V 由此创建的模型的计算要求将大大降低。对许多实际工程应用来说，这是一种非常有用的方法。 因此，我们建议您在使用 COMSOL Multiphysics 建立模型之前，首先计算德拜长度，即双电层的长度。如果这个长度比要模拟的几何长度尺度小得多，就使用电渗速度边界条件。如果不是，则使用传统的无滑移速度壁边界条件，并求解双电层中的流动问题。请记住，浓度随双电层的电位呈指数变化；如果不使用电渗速度边界条件，就必须使用细的边界层网格来求解双电层的突然变化。 在下一节中，我将向大家展示两个适用于此方法的例子。第一个例子是一个微型泵，它在整个几何中被解析，包括双电层。第二个例子，是一个使用电渗速度边界条件的微混合器。 应用实例 示例1：微泵 在这个例子中，微通道（长 60nm，高 10nm）的上下壁均带负电(-0.02 C/m^{2})，在入口（左边界，6mV）和出口（右边界，0V）使用电极驱动流动。由此产生的电势、空间电荷分布和速度场如下图所示： 用静电物理场接口计算的可视化电势图。 净空间电荷的绘图，即阴离子和阳离子的贡献之和。带正电的净电荷屏蔽了带负电的壁。 速度绘图显示了在库仑力的作用下，双电层中净电荷的运动。 为了介绍下一个例子，即微混合器，让我们先看看当上部和下部玻璃壁的部分（在下一幅图中以蓝色显示）带正电 (0.06 C/m^{2}) 而不是负电时会发生什么： 电势、空间电荷和速度场的模拟结果如下所示： 虽然空间电荷在带负电的壁周围带正电，但在带正电的壁面周围是负的。空间电荷的反转导致壁附近的电渗速度相反。这种相反的近壁速度导致在通道中引入漩涡（如流线图所示），这可以用来混合不同的化学物质。 例2：微混合器 在微观层面上，流动通常是高度有序的层流，湍流的缺乏使得扩散成为混合的主要机制。虽然小分子（以及快速扩散的物质）的扩散混合可以在几十微米的距离内发生，但较大的分子，如肽、蛋白质和高分子量的核酸的混合可能在可比的距离内需要几分钟到几小时的平衡时间。对于许多化学分析来说，这种延迟是不切实际的。这些问题导致对微流控系统的更有效的混合器的强烈需求。在下面的例子中，壁是带负电的，就像我们刚看过的微泵例子一样，在入口（左边边界）和出口（右边边界）使用电极来驱动流动。为了引入一些混合，四个额外的电极被放置在混合室的壁上。这四个电极在壁上引起波动的电渗速度： 说明混合器如何运行的示意图。在入口处使用了两种不同浓度的流体来研究混合过程。 当不施加电场时，流动为层流，扩散系数非常小，所以两种流体在出口处分离良好。 当施加交变电场时，由于流动中的交变漩涡，混合大大增加。 结束语以及后续操作 这篇博客简要介绍了电渗流和双电层的概念，并演示了如何在 COMSOL 中对这类问题进行建模。如果你想了解更多关于电渗微混合器模型的信息，可以从 COMSOL 案例库中下载该模型和模型文档。您可以在此处了解 […]
使用全局方程模拟室内空气温度
前些天我遇到了一个有趣的问题，它促发了我想要写一篇博客的灵感，因为它使我想到了我们的 COMSOL Multiphysics 软件中一个非常强大但常常没有得到充分利用的功能：全局方程。
模拟涡轮静叶片的热应力
仿真软件可以帮助我们理解和优化组件设计。任何一个仿真都需要基于实际应用建立模型。建模使我们能够足够详细地表征实际现象，从而获得特定应用或组件的相关信息。
使用无梯度的优化方法求解模型
COMSOL 软件的优化模块包含基于梯度和无梯度的优化 2 种功能。基于梯度的优化方法可以计算目标函数和任何相关约束函数的精确解析导数，但它要求函数是平滑和可微分的。在这篇博客中，我们将研究无梯度优化器的使用，它可以考虑不可微分或不平滑的目标函数和约束条件。为了减轻质量，同时保持对零件峰值应力的约束，我们对旋转轮的尺寸进行了优化。 旋转轮的压力 旋转的轮子会产生离心应力，从而导致整个零件产生应力。为了减轻质量，轮毂上被切割了一些规则的孔洞。下图中显示了离心力产生的 von Mises 应力。我们希望进一步减轻质量，同时将应力保持在临界值以下。 求解应力 虽然我们可以一次对整个轮子进行建模，但由于这个零件存在镜面对称和旋转对称，因此可以减小模型，从而最大限度地降低计算要求。对称边界条件用于约束该零件。 基于旋转速度、旋转轴和材料密度施加体载荷，用于模拟离心力。该模型使用瞬态求解器求解，即假设转速恒定。 选择设计变量 在这个示例中，假设已经有了一套制造工艺，我们希望对零件的整体设计做最小的改动，以降低重新加工的成本。设计变量的一个常见选择就是改变轮毂上孔的半径。因此，我们回到几何序列，对孔的半径及其位置进行参数化。我们还可以根据纯粹的几何分析推算出，每个孔的最大半径必须有一定的限制，否则孔与孔之间的区域会变得太薄，孔与孔之间就会重叠。我们还将对最小半径设限，因为我们不希望孔洞完全消失。 定义目标函数和约束条件 这里的优化目标只是减少零件的质量，即所有域上材料密度的积分。 优化目标是使质量（密度的积分）最小。 这个约束条件稍微复杂一些；我们希望尽量减小零件的峰值应力。但是，我们并不知道峰值应力会出现在哪里。如果内孔或外孔太小，就会导致孔周围应力集中。如果我们将孔的半径做得过大，孔之间的材料就会变得过薄，同样会导致高应力。因此，我们必须监控整个零件的最大应力，并将其限制在指定的峰值应力以下。这是一种无差别约束，尤其需要使用无梯度优化方法。 峰值应力通过域探针进行监测，并命名为 PeakStress。 峰值应力变量受限于一个上限。 用无梯度优化法求解问题 为了求解优化问题，我们在研究分支下添加了优化 功能。Nelder-Mead 方法是两种无梯度方法之一（另一种是坐标搜索）。无梯度优化算法还允许当几何尺寸变化时重新划分网格。 目标函数和约束条件由模型树中的优化 分支定义。控制变量给定了初始条件，我们指定了上限和下限。优化后的设计有很大不同——质量减少了 20%，同时保持了对峰值应力的限制。
使用临界面法预测疲劳
对疲劳的研究始于 19 世纪，起因是铁路车轴发生故障从而导致了火车事故。在旋转轴中，应力的变化是从拉伸到压缩，再回到拉伸，由于应力状态是单轴和成比例的，因此载荷历程很简单。
使用 COMSOL 模拟共面波导
共面波导 (CPW) 常用于微波电路中。使用 COMSOL Multiphysics 及其附加产品 RF 模块，您能够轻松地计算设计共面波导时所需的阻抗、场、损耗和其他工作参数。 二维接地共面波导设计 下图为2个典型的共面波导的横截面。如图所示，介电基板的顶部刻蚀有金属层。当基板底部也刻蚀金属层时，称为接地共面波导。底部的金属层通常是经通孔连接至电介质顶部的金属层。虽然这些金属层常常被称为接地，但是金属层中有电流流过，因此表面的电势并不恒定。接下来，我们将重点讨论接地共面波导的示例。 共面波导可以由以下特征参数表征：金属迹线层厚度 t，中心导体宽度 w，中心导体和侧导体之间的间隙 g。如果是接地波导，还包括介电基板厚度 h。 无论进行任何仿真分析，都需要先计算趋肤深度: 以工作频率为 1GHz 的器件中使用的铜为例，其相对磁导率和介电常数为 1，电导率为 6×107S/m，趋肤深度为 2.05µm。由此可知，电场和电流衰减为：，其中 是进入金属的距离。趋肤深度和金属层的厚度将决定需要进行什么分析。如果趋肤深度和迹线厚度相同，则有必要将金属域本身包含在 COMSOL 模型中。另一方面，如果趋肤深度远小于迹线厚度，至少小 10 倍 (), 那么金属层一侧的场不会显著影响另一侧的场。在这种情况下，没有必要对金属层的内部进行建模，可以将它们看作模拟域的边界。 另外，如果金属层的厚度 t 足够小，使得其对结果的影响可以忽略不计，那么我们可以将金属迹线建模为理想电导体 (PEC) 边界条件。例如，下图显示了一个最简单的共面波导模型，该共面波导上方的空气区域可以通过代表金属封装的理想电导体边界条件，或代表没有电流流过的表面的理想磁导体边界条件来截断。 我们可以使用 RF 模块建立和求解此类模型，选择二维模式分析研究类型。计算阻抗 Z=V/I；计算电压 V 沿导体之间的任意一条线获取电场的路径积分，此处标记为 A；计算电流 I 沿任意路径环绕中心导体对磁场进行积分，标记为 B。同轴电缆的阻抗教程模型提供了一个类似的示例，其中详细介绍了如何设置这类模型。 建立三维共面波导模型的 3 种方法 上述二维模型可以快速计算共面波导的阻抗，并可以帮助我们了解横截面中的相对场强。然而，我们通常对一些结构上有变化，需要建立完整三维模型才能求解的设备更感兴趣。这就提出了如何激励三维共面波导模型的问题。我们可以采用多种不同的方法，但首先可以考虑使用理想电导体表面建模的共面波导，其迹线厚度 t，可以忽略不计。 1.为模型添加矩形面 如下图所示，一种方法是向模型中添加几个矩形面，这些矩形表面可以垂直或平行于共面波导平面，代表探针尖端。这些理想电导体表面充当两侧导体之间的桥梁。然后在电桥和中心导体之间的另一个矩形面上应用集总端口激励。该集总端口在相邻的理想电导体表面之间施加电压差（注意：图中箭头的方向是任意的，它们只是为了表明存在沿箭头方向流动的正弦时变电流)。 这种方法非常简单，只需要对模型进行少量修改。要了解使用此方法激励的共面波导模型的示例，请查看 COMSOL 案例库中接地共面波导上的 SMA 连接器模型。 2.通过两个集总端口减少修改 实际上，上述方法需要向模型添加一些额外的结构，因此我们可以考虑一种需要更少修改的方法，如下图所示。通过在中心导体两侧增加 2 个集总端口也可以激励共面波导。 这种方法的唯一困难是它需要手动设置；2 个集总端口功能中的端口号、尺寸以及最重要的是，方向 相同，而且必须设置集总端口的方向，使它们要么都指向中心导体，要么都指向远离中心导体。 相比于第一种方法，这种方法在模型中引入了较少的额外结构，但确实需要两个端口特征，因此必须手动设置并指向正确的方向。 3.模拟两点探针 我们还可以扩展共面波导的布局，以及将理想电导体的侧平面扩展为围绕中心理想电导体的带状结构，然后为集总端口引入一个额外矩形，模拟两点探针，如下所示: 结束语 当然还有其他方法可以激励共面波导，但以上3种方法是最常见的。这 3 种方法的解之间的差异应该很小，但应该注意，所有这些都是为了近似激励，并且集总端口附近的场并不是理想的物理场。这是一种局部效应，远离激励的场和计算的阻抗等量应该更准确。 为了获得最高的保真度，可以对同轴波导的耦合进行具有完整细节的显式建模，如上图所示。有关说明此方法的类似示例，请参阅 Wilkinson 功分器模型。 所有上述方法都可以推广到共面波导金属迹线厚度值很大的情况，或者金属层必须明确包含在模型中而不是通过边界条件近似的情况。其他激励策略当然也是可行的，但这些是最常见的方法。学习了这些方法，您就可以自信地使用 COMSOL Multiphysics 和 RF 模块进行共面波导的建模和设计。
曲线坐标的用法
曲线坐标是一种坐标线可以弯曲的坐标系。COMSOL 4.3b 版本软件中新增了自动计算曲线坐标的用户接口，对于那些在自由曲面 CAD 设计中处理各向异性材料的用户来说，这是一个非常实用的补充。
模拟电分析：循环伏安法
如果你不是电化学家，很有可能从未接触过循环伏安法。但是，当你去看任何一本电化学期刊、会议论文集或者电化学传感器制造商公司的网站时，会发现在靠前的位置总能看到一个独特的“双峰”图。 为什么要使用循环伏安法？ 这个“双峰图”看起来像这样： 这是一个循环伏安图，绘制了电化学电池中电流随施加电压的变化而变化的曲线。通过在一定范围内扫描往返变化的电压，驱动电极的电化学反应朝不同方向发展： 循环伏安法是一种应用非常广泛的技术，用于检测电极与电解质（如盐溶液）界面的物理和化学性质。电活性表面在所有电化学装置中都很常见，包括电池和燃料电池等常见的能量提取装置，以及如用于监测糖尿病患者血糖浓度的电化学类传感器。然而，人们仍然没有完全理解电极-电解质界面的化学性质，这是一个活跃的学术研究领域。 伏安法对设备验证和设计很有价值，因为一次扫描就包含了关于系统的化学和物理行为的大量信息。此外，伏安法还是传感器运行的基本工作模式，因为在设计良好的系统中，测得的电流与分析物的浓度成线性关系。对电极材料进行化学修饰使得伏安法可专门用于检测混合物中的某种生物化合物或有毒气体，由于可以使用丝网印刷电极技术实现“一次性电化学”应用，因此它成为了一种成本低廉的先进技术。 对于设计和研究而言，伏安法的最大优势在于其提供信息的多样性。它阐明了电极表面的电解速率与反应化学物质通过扩散到达该表面的传输速率之间的竞争关系，还能提供有关溶液中化学反应的机理和速率的宝贵信息。在不同的扫描速率下使用伏安法，改变了电压随时间的变化速率，我们可以观察到不同系统时间尺度下不同的物理现象。 为什么模拟伏安法？ 尽管伏安法非常重要，但却是一种理解起来有些困难的技术。系统中所有真实的物理效应都被归结到一些非常晦涩的电流-电压曲线中，虽然经验丰富的电分析化学家可以直观地从伏安图中“看到”化学反应，但要从实验中获得定量信息，就必须将伏安法与理论预测结果进行比较。由于电化学动力学通常是非线性的，而伏安法又是一个瞬态问题，理论上不太可能获得解析解（极少数特殊情况除外），因此必须进行计算机模拟。 保持模型的简洁性 COMSOL 的电化学模块包括一个电分析 接口，专为模拟伏安法等电分析技术而设计。其中假定存在大量的支持电解质，例如，人为地添加到电化学电池的电解质中的惰性盐（如氯化钾），用于增加其导电性。支持电解质可减轻电场，其优势在于可以简化实验分析和基础理论。我们假定只有扩散对化学物质的传递起作用，因为溶液没有搅拌，而且时间尺度足够短，溶液中的自然对流不重要。在这些条件下，化学物质传递方程是线性的，因此更容易求解。 在伏安法实验的典型持续时间内，物质扩散的尺度非常短，通常远小于 1mm。对于半径超过 1mm、形状像圆盘的传统“大电极”，可以准确地假设扩散只在电极表面的法线方向比较显著，电极边缘的影响可以忽略，因此整个电极表面的反应和传递是均匀的。因此，伏安分析可以简化为一维瞬态问题。 设置循环伏安模型 为便于定义瞬态外加电压及其对电解反应速率的影响，电分析 接口包含一个预置的“电极表面”功能，可直接设置伏安法的电位窗口和扫描速率，它会自动实现电极动力学的 Butler-Volmer 方程，但与 COMSOL Multiphysics 中的其他很多功能一样，用户也可以自定义动力学表达式。然后，相关的循环伏安法研究会使用适当的数值方法对瞬态扩散方程进行积分，自动求解相应的瞬态问题。使用“参数扫描”功能，我们可以在一次计算中研究一系列扫描速率。 查看结果 从上图中，我们可以看到在 1mV/s 到 1V/s 四种连续扫描速率下记录的仿真预测的 4 个伏安图，这些预测对应的实验持续时间从近半小时到一秒多一点。可以看到电流随着扫描速率的增加而增加，但伏安图具有相同的“双峰”。后者可以解释为，刚开始时电压无法驱动反应物进行正向反应，因此电流可以忽略不计。随着电压升高，反应加速，因此电流增大。但一段时间后，电极表面的反应会耗尽反应物浓度。这时，决定反应速率的过程发生变化，致使电流受反应物向表面扩散的控制，从而再次下降。反向反应也有类似的过程，当电压扫描回到起点时，生成物会重新转化为原始反应物。 电流密度随扫描速度增加的原因是，扫描速度越快，扩散层形成的距离越短。由于反应物浓度在较短的距离上快速变化为零，扩散通量较大，因此电流也较大。实际上，峰值电流应与扫描速率的平方根成比例：检查这个关系是对实验数据进行验证的常用方法，用于检查测量结果是否受到扩散以外的物理效应的干扰。 在设计传感器时，我们总是希望最大限度地提高电流，从而最大限度地提高灵敏度，因此这种分析有助于电化学电池和化学环境的实际设计。通过比较仿真预测的伏安图和实验测量结果，我们可以确定材料属性和其他可能未知的系统参数，如扩散系数和反应速率。 请尝试对上述动画进行比较，了解电流与不断变化的浓度曲线之间的关系。请注意电极表面（x = 0）的反应物浓度是如何随着电流的增加而趋于零的，一旦电极表面浓度为零，浓度梯度在扩散作用下降低，电流也随之降低。在第二次扫描中，电流被反向反应逆转，电极表面的浓度又恢复到其主体值。 进一步研究 由于电分析 接口将电分析仿真嵌入到 COMSOL Multiphysics 环境（一个功能强大、灵活的有限元方法用户界面）中，因此可以直接进行扩展。通过添加反应域条件，可以将电化学生成物的后续化学反应包括在内；我们可以建立同一过程的二维或三维模型，研究真实系统几何结构中的扩散情况；还可以进行多个伏安循环，或应用非标准电压波形；将反应物对流与流体流动进行耦合，可以研究流体动力电化学。我们还可以通过同一用户界面考虑一系列相关技术，如电位阶跃计时电流法和电化学阻抗谱法。 提示：查看 COMSOL 案例库中的电极循环伏安法模型。