微流体模块
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。
通用微流体仿真
微流体模块为您提供了一些易用的工具，用于研究微流体器件。重要的应用包括仿真片上实验室器件、数字微流体、电动与磁动器件，以及喷墨打印机等。微流体模块包含了预设的用户接口和仿真工具（称为物理接口），可用于单相流、多孔介质流、两相流和传递现象。
降低流体尺度
微流体流动一般产生在比宏观流动小几个数量级的长度尺度下。微尺度下的流体操控有很多优点——微流体系统通常更小、运行速度更快，并且需要的流体比相应的宏观系统少。
能量输入和输出也更易于控制（例如，化学反应中产生的热量），因为系统的表面积-体积比远大于宏观系统。一般情况下，随着流体流动尺度的减小，与那些随流体体积成比例变化的属性相比，随系统表面积成比例变化的属性会变得相对重要。
在流体流动中，速度等值面上的由剪切作用而产生的粘性力相对惯性力占主导作用，因此这种现象在流体流动中表现明显。描述这两种力之比的雷诺数 (Re) 通常很低，所以此种流体通常为层流。在许多情况下，可以使用蠕动 (Stokes) 流模型 (Re«1)。层流和蠕动流使混合变得特别困难，所以质量传递通常受扩散限制，但即使在微流体系统中，扩散通常也是一个缓慢的过程。而这会影响微流体系统内的化学物质传递。微流体模块专门用于处理传动、传热和传质过程，特别考虑微尺度下的流体流动。
更多图片：
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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。
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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。
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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。
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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。
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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。
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。
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。
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。
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。
多孔介质流
微尺度几何结构内也会发生多孔介质流动。当孔隙大小处于微米范围时，流动通常主要受摩擦力影响，因而可以使用 Darcy 定律。微流体模块具有利用 Darcy 定律仿真多孔介质流的专用物理接口。在这种情况下，垂直于流动的剪切应力会被忽略。对于中间流，模块提供了 Brinkman 方程物理接口。该物理接口用于模拟不能忽略剪切应力的多孔介质流。模块同时包含了 Stokes-Brinkman 公式（适用于极低流速）和 Forchheimer 阻力（用于考虑较高速度的影响）。流体可以是不可压缩，或可压缩的（马赫数小于 0.3）。
用于自由和多孔介质流模型的专用物理接口会使用 Brinkman 方程和层流模型分别模拟两种介质内的流动，并自动设定两者之间的耦合。这些接口也适用于多孔介质内的微流体。示例应用包括纸基微流体和生物组织中的传递。
电流体力学效应
在微尺度下，可以利用一系列的电流体力学效应来影响流体流动。微流体模块是用于模拟几乎所有此类效应的优秀工具。对于给定的施加电压，电场强度会随尺度改变而发生相应比例的变化，这样可以更容易地使用适度电压对流体施加相对较大的电场。在电渗中，流体表面的带电双电层 (EDL) 中的未补偿离子会被电场移动，从而引起流体流动。微流体模块提供了一种专用的电渗流速度边界条件，作为一种流体壁边界条件。流体中带电或极化粒子上的电泳力和介电泳力可以用于驱动粒子运动，正如磁电泳中的抗磁力。粒子追踪模块内预定义了电泳和介电泳粒子作用力。微流体模块与 AC/DC 模块结合时，您可以模拟交流介电泳现象。
在微型器件中很容易通过电润湿现象操控接触角。电润湿是许多新型显示技术的基础原理。微流体模块中可以使用包含电压参数的用户定义表达式来直接控制接触角。
质量传递
微流体模块提供一个用于仿真稀物质传递的专用物理接口。该接口假设混合物中的一种成分（溶剂）过量存在（90 mol% 或更高），可以仿真这种混合物通过扩散、对流（与流体流动耦合时）和电场迁移等方式进行的化学物质传递。它通常用于模拟混合器的性能。要模拟微流体器件中的化学反应，可以将微流体模块与化学反应工程模块组合，当然，这也可以使用浓物质传递接口进行组合。
灵活而可靠的微流体仿真平台
对于每个微流体接口，基本的物理原理均通过偏微分方程以及相应初始条件和边界条件的形式表示。COMSOL 的设计强调物理场，在每个物理接口中预设了要求解的方程，并完全允许您访问底层方程组。此外，还可以非常灵活地向系统中添加用户定义方程和表达式。例如，要模拟显著影响流体粘度的某种物质的传递，只需输入随浓度变化的粘度即可——无需编写脚本或代码。当 COMSOL 编译这些方程时，这些用户定义表达式所描述的复杂耦合将自动包含在方程组中。然后，这些方程使用有限元方法和一系列工业级求解器进行求解。获得解之后，可以使用大量的后处理工具来查证数据，并生成预定义绘图来显示器件响应。COMSOL 使用户可以灵活地评估一系列广泛的物理量，包括压力、速度、剪切速率或涡度等预定义量（可在菜单中获得），以及任意的用户定义表达式。
Excel® 与 MATLAB® 交互访问
您可以通过 LiveLink™ for Excel® 将微流体模块与 Microsoft® Excel® 组合。该 LiveLink™ 模块会在 Excel 功能区中增加一个 COMSOL 选项卡和专用工具栏，用于控制参数、变量和网格，或运行计算。它还可以在 COMSOL Desktop® 中导入和导出 Excel 文件而生成参数和变量列表。
如果希望通过脚本程序的方式驱动 COMSOL 仿真，可以通过 LiveLink™ for MATLAB® 提供的接口将 MATLAB® 和 COMSOL 组合起来使用。使用 LiveLink™，您可以通过大量 MATLAB 命令访问 COMSOL Desktop® 的所有功能。这提供了一种使用 COMSOL Desktop® 进行微流体仿真的编程式替代方法。
直微流道和弯微流道中的惯性聚集建模
J. Martel and M. Toner Biomems Resource Center Massachusetts General Hospital USA N. Elabbasi, D. Quinn, and J. Bergstrom Veryst Engineering USA
在许多医疗操作和测试中，分离出我们关注的细胞做进一步分析是非常必要的。微流控彻底改变了进行这些测试的方式，比如能够通过血样检测癌症。 在最有前景的分离并浓缩细胞的微流控技术中，有一种称为惯性聚焦的技术。粒子在弯流道流动中的平衡位置是一些参数和力的函数；通过实验难以研究所有可能的序列。 马萨诸塞综合医院 Biomems 资源中心的研究人员已模拟上述过程并确定了最佳设计方案。他们创建的 CFD 模型考虑了流道尺寸、粒子大小、雷诺粒子数，雷诺流道数和迪安数等因素。标准的粒子追踪方法并不适用于预测惯性聚焦，常微分方程 (ODE) 便使用了以线速度和角速度的方式指定粒子的平衡的。仿真结果与实验测量结果吻合，这些结果显示了平衡位置与流道曲率的相关性。
优化血液分析方法：物理原型失败时，仿真提供了答案
D. Isèbe HORIBA Medical, France
血液学分析，即确定各种血液参数的血样分析，是对血液疾病进行诊断和作出治疗决策的关键要素。准确的血液学分析需要计数并分类样本中的不同细胞来测量它们的大小和分布。HORIBA Medical，是一家提供医疗诊断设备的公司，主要使用 COMSOL ...
层流静态混合器建模
Nagi Elabbasi, Xiaohu Liu, & Stuart Brown Veryst Engineering LLC, Needham, MA, USA Mike Vidal & Matthew Pappalardo Nordson EFD, East Providence, RI, USA
Veryst Engineering，是一家提供工程设计和产品制造方面咨询服务的公司，通过与领先的精密分配系统制造商之一的 Nordson EFD 合作来优化其静态混合器。静态混合器对混合层流粘性流体而言是一种廉价而有效的设备，因为静态混合器中分子扩散最小 ...
多物理场仿真实现了基于 MEMS 开发快速、低成本的细菌探测器
Monika Weber Yale University New Haven, CT
耶鲁大学的 Mark Reed 教授及其研究团队，正在使用 COMSOL Multiphysics 软件开发基于 MEMS 的能够探测血液中细菌的解决方案。它被称为 aScreen，能快速准确地提供分析结果，而且成本低廉 ...
深入了解用于产生声流效应的压电材料
G. Potter SUNY Albany, NY, USA
微流控器件是许多传感器的关键，例如流量传感器以及用于医学诊断的传感器。但由于其尺寸很小，使得流体的混合与抽取变得极具挑战性。作为传统驱动方法的替代方法，表面声波（SAW）可用来产生流体流动。在 SUNY Albany 和 SEMATECH 合作中，研究人员创建了模型并模拟了集成叉指换能器（IDT）结构，以及压电基片结构和 SAM 产生的谐波振动。他们使用 COMSOL Multiphysics 软件对影响器件几何优化的因素进行了研究，比如声流响应和谐振频率。他们通过仿真结果，证实了 SAW 的垂直位移越大对应的流动速度越高，而且他们的仿真结果与实验测量相吻合。
电动阀中的传递
本例描述一个微流道系统中的压力驱动流和电泳。样品和缓冲溶液在压力驱动下发生聚集，使样品在聚集流道中的分布受限制。当达到稳定状态后，关闭压力驱动流，施加一个电场，使分离出的样品离子流入注射流道。
电渗微混合器
毛细管填充 – 相场方法
这是一个模拟狭长的毛细管通道由于表面张力和壁的粘附作用而产生填充的瞬态模型。毛细管通道内初始时充满空气。当连接到一个蓄水槽时，张力导致水进入毛细管。模型中的接触角，即水的表面和壁之间的夹角，固定为 67.5 度。此模型可以使用水平集方法或相场方法追踪流体交界面进行求解。本例使用相场方法。
可控扩散微混合器
本例模拟了一种 H 型微流道，设计用于可控的扩散混合。两种流体在池中作不同的层流流动，在可控时间段内接触。接触面定义良好，通过控制流率，可以控制物质通过扩散从一种流体流向另一种流体的量。本例最初是由美国西雅图华盛顿大学的 Albert Witarsa 在 Bruce Finlayson 教授指导下编写。这是研究生课程的一部分，用于数学建模评估微流体中潜在的流型。
红细胞分离
介电粒子在非均匀电场中受到外力作用时，会发生介电泳 (DEP)。DEP 在生物医学设备方面有许多应用，可用于生物传感器、诊断学、粒子操控和过滤（排序）以及颗粒组装等。\n\n介电泳力的大小与粒子的大小、形状和介电属性有关。这一特性使 DEP 可用于分离不同的粒子，例如从混合物中分离各种细胞。此模型显示如何从血样中有选择地过滤出红细胞，使其与血小板分离。\n\n在 DEP 过滤装置中，由于红细胞比血小板大，因此受到的力更大，更容易发生转向。该装置有两个出口，未发生转向的粒子从上方出口离开，发生转向的粒子从下方出口离开。\n\n该 App 允许改变红细胞和血小板的特性以及电场。
药物输送系统
电润湿镜头
本例显示由电介质电润湿 (EWOD) 效应驱动的可调镜头。两种互不相溶液体（一种导电，另一种绝缘）之间产生的半月形结构用来构成镜头。在导电液体和位于镜头室壁面的涂覆电介质的电极之间施加电场。改变电场可以改变两种流体形成的接触线的接触角，从而改变镜头的形状。
薄片混合器
喷墨打印机
喷墨打印机最初发明时就是一个打印机，但现在已用于其他应用领域，如生命科学和微电子领域。本例演示如何使用仿真对喷墨打印机喷嘴的流体流动建模，并预测了在涉及具体应用时可能实现的最优设计。\n\n其目的是根据所期望的墨滴大小调整喷墨打印机喷嘴的形状和工作方式，具体取决于接触角、表面张力以及注入墨滴的粘度和密度。仿真结果还显示，注入的墨滴体积在基板处最终合成一滴墨滴之前是否会分解成多滴墨滴。\n\n其中的流体流动使用带表面张力的不可压缩 Navier-Stokes 方程来进行模拟，并使用了水平集方法追踪流体的界面。
