微流体模块

用于微流控器件的多物理场仿真软件

墨滴通过喷嘴喷出，在空气中运动，直到击中目标。该模型可以用于了解墨粉属性和喷嘴处压力分布对墨滴速度、墨滴体积和可能出现的卫星墨滴。

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• 薄片混合器：图中所示的器件可以增强两种流体在薄片流中的混合效果。结果显示了混合器壁面上的压力等值线，混合器入口与出口处以及两组流道（载运不同流体）交汇点处的速度大小。此外，模型中还绘制了流线（红色）。插图显示了仅在其中一种流体中存在的扩散物质的浓度，并沿着接近混合器中心的垂直线上绘制。
• 电润湿镜头：上图显示了一个可调焦液体镜头，其曲率半径可以使用电润湿效应进行调节。彩色图显示了镜头下方油所在区域的流体速度大小，而箭头图显示了油镜上方的流体的速度。
• 分裂和重组搅拌器标准模型：本案例模拟了一个分裂和重组搅拌机，引入示踪流体，并进行多层混合。通过在模型中设定很小的扩散系数，去掉了扩散的作用，从而可以研究层界面上的数值扩散。结果与文献中发表的层流图案和总压力降分布吻合得很好。
• 两相流：对于多相共存体系，小尺度下的表面张力效应相对于重力和惯性重要得多。Laplace 压力（两相界面上的压力跃变）、毛细管力和 Marangoni 力均按 1/长度的比例发生变化。下图显示了油滴的分裂，油在流入含有其它流体的流道时产生乳液。图中显示了速度流线，并在对称平面上绘制了流体速度。两相界面以绿色显示。
• COMSOL DESKTOP：一个完整的仿真项目从始至终都可以在 COMSOL Desktop^® 中完成。可视化图形显示了某个微流道内随时间变化的单相流，该微流道用于注入流体并使用流体冲刷器件。
• 电渗混合器：该特定微混合器利用电渗来混合流体。施加随时间变化的电场，所产生的电渗对流体产生扰动。流线图形显示了流场中存在大量的漩涡。

COMSOL 的通用多物理场耦合功能特别适合于处理微流体器件中的许多微尺度效应。用户可以简便地设置耦合电动和磁动仿真——包括电泳、磁泳、介电泳、电渗和电润湿等。此外，模块中还包含了对应于稀物质的化学扩散和反应，使您能够仿真片上实验室器件中发生的过程。要仿真稀薄气体流动，可以使用特定的边界条件，这些边界条件用于滑移流模型的仿真。微流体模块还提供了通过水平集、相场和移动网格等方法仿真两相流模型。对于其中的每种方法，微流体模块的仿真功能可以考虑表面张力、毛细管力和 Marangoni 效应等。

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微流体器件的仿真流程

要模拟微流体器件，需要先通过导入 CAD 文件或通过 COMSOL Multiphysics 内置的几何建模工具在软件中定义几何。对于导入几何模型，有几个选项可用：CAD 导入模块，用于导入机械 CAD 模型；ECAD 导入模块，用于导入电子布局；以及 CAD 的 LiveLink™ 模块，用于直接链接在专用 CAD 软件包中创建的模型。在下一个步骤中，需要选择相应的流体属性以及适合的物理接口。在接口中需要设置初始条件和边界条件。然后定义网格。在许多情况下，COMSOL 自动创建的缺省网格（根据物理场缺省设置）即可适用于模型。同样根据相关物理场软件自动设置缺省求解器，并求解问题。最后查看结果。所有这些步骤均可从 COMSOL Desktop^® 中访问。微流体模块可以求解二维和三维下的稳态和瞬态流动，并且可以与其他任何专业模块耦合，进一步扩展模拟能力。例如，跟踪流体中释放的粒子，这可以通过与粒子追踪模块组合来实现。

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单相流

流体流动接口使用压力、流速等物理量以及粘度、密度之类的物理属性来定义流体流动问题。层流物理接口包含不可压缩流和弱可压缩流物理模型。该流体流动接口还可以仿真非牛顿流体。当雷诺数明显小于 1 时，可以使用蠕动流物理接口。这通常称为 Stokes 流，在粘性流动占主导地位时适用。它通常适用于微流体器件。

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两相流

软件含有三种不同的方法用于两相流仿真：水平集、相场和移动网格。它们用于模拟两种相界面分隔开的流体，并跟踪移动界面变化，包括界面弯曲形变和表面张力。水平集和相场方法使用固定的背景网格，并通过求解附加的方程来跟踪界面位置。移动网格方法求解移动网格上的流动方程，使用内部边界来表示流体相界面。在这种情况下，通过任意拉格朗日欧拉法 (ALE) 求解附加方程来确定网格形变。所有这些方法及其物理接口均支持可压缩和不可压缩层流，且其中一种或两种流体可以为非牛顿流体。

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稀薄流体

若分子的平均自由程与流动尺度相当，则此时的流动称为稀薄气体流动。Knudsen 数(简写为 Kn )可用于描述稀薄效应对于流动的重要性。当气体变得稀薄（对应于较高的 Knudsen 数）时，Knudsen 层（壁面附近的一个平均自由程内）会开始对流动产生显著影响。Knudsen 数小于 0.01 时，可以忽略稀薄效应，微流体模块的层流物理接口可以使用无滑移边界条件。对于略微稀薄的气体 (0.01<Kn<0.1)，可以通过在壁面处使用相应的边界条件和在域中使用连续 Navier-Stokes 方程来模拟 Knudsen 层。对于这种情况，微流体模块中提供了一个专用的滑动流物理接口。要对更高的 Knudsen 数模拟，需要 分子流模块。