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微流体 博客文章

COMSOL®中的多相流建模与仿真:第1部分

2020年 3月 26日

多相流通常包括气-液、液-液、液-固、气-固、气-液-液、气-液-固或气-液-液-固混合物的流动。本系列博客主要讨论气-液和液-液混合物,并简要讨论固-气和固-液混合物。此外,我们还将介绍 COMSOL 软件中 CFD 模块和微流体模块中的模型和模拟策略。 不同尺度的多相流建模 使用数学建模可以对不同尺度的多相流进行研究。最小尺度约几分之一微米,而最大尺度可达几米或几十米。由于尺度甚至可以相差大约八个数量级,最大尺度可能比最小尺度大一亿倍,在整个尺度范围内使用相同的力学模型,在数值上无法解析最小尺度到最大尺度的多相流。因此,多相流的建模通常分为不同的尺度。 在较小的尺度上,可以对相边界的形状进行详细建模;例如,气泡与液体之间的气液界面的形状。在软件中,这种模型称为分离多相流模型,通常使用表面追踪法来描述此类模型。 在较大尺度上,如果必须详细描述相边界,则模型方程无法求解。相反,可以使用场(例如体积分数)描述不同的相。分散多相流模型方程中,相间效应(例如表面张力、浮力和跨越相边界的传递)被视为源和汇。 分离多相流模型详细描述了相边界,分散多相流模型则只考虑分散在连续相中的一个相的体积分数。 上图显示了分离和分散多相流模型的主要区别。在上述两种示例中,均使用函数 Φ 来描述气相和液相。但是,在分离多相流模型中,不同相之间相互排斥,并存在一个清晰的相边界,在此边界上相场函数 Φ 发生突变。除了追踪相边界的位置以外,相场函数没有任何物理意义。 在分散多相流模型中,函数 Φ 描述了气相(分散相)和液相(连续相)的局部平均体积分数。通过平均体积分数可以在该区域的任一点顺利地找到介于 0 和 1 之间的值,这预示着在其他均质域中是存在少量还是大量气泡。也就是说,在分散多相流模型中,可以在同一时间和空间点上定义气相和液相;而在分离多相流模型中,在给定的时间和空间点上,只能定义气相或液相。 分离多相流模型 对于分离多相流的模拟,COMSOL Multiphysics® 软件提供了3种不同的界面追踪方法: 水平集法 相场法 移动网格法 水平集和相场都是基于场的方法,其中相之间的界面代表水平集或相场函数的等值面。移动网格法与上述两种方法完全不同,它将相界面模拟为分隔两个域的几何表面,每个域对应不同的相。 基于场的问题通常是在固定的网格上解决,而使用移动的网格可以解决移动网格问题。 下面的动画为一个T型微通道中生产乳液的模拟结果,该模型使用了相场法进行求解。在动画中,我们可以看到相边界与网格的平面和边缘不一致,相边界由相场函数的等值面表示。   在相场法和水平集法中,有限元网格不必与两个相的边界一致。 相反,下图显示了带有移动网格的上升气泡的验证模型。网格与相边界的形状保持一致,并且网格边缘与相边界重合。但是,移动网格模型也有缺点,即气泡的变形使两个次级气泡从母气泡分离。此时,必须将原始相边界划分为几个边界。该方法太复杂,并且尚未在 COMSOL® 软件中实现。因此,COMSOL® 软件中的移动网格法无法处理拓扑变化。而相场法不存在这个缺点,可以处理相边界形状的任何变化。   上升气泡的验证。当两个次级气泡脱离母气泡时,发生拓扑变化。 什么时候使用相场法和移动网格法? 对于给定的网格,移动网格法具有更高的精度。基于这一优势,我们可以直接在相边界上施加力和通量。基于相场的方法需要围绕相边界表面建立密集网格,以解析该表面的等值面。由于很难定义一个精确贴合等值面的自适应网格,因此通常必须在等值面周围建立大量密集网格。在具有相同精度的情况下,与移动网格相比,这样做会降低基于场的方法的表现。那么,什么时候使用这些不同的方法呢? 对于不希望发生拓扑变化的微流体系统,通常首选移动网格法; 如果需要拓扑变化,则必须使用相场法: 当表面张力的影响较大时,首选相场法 如果可以忽略表面张力,首选水平集法 分离多相流模型和湍流模型 在湍流模型中,由于仅解析平均速度和压力,流体的细节会丢失。从这一点来看,表面张力效应在流体的宏观描述中也变得不那么重要。由于湍流表面的流动也比较剧烈,因此几乎不可能避免拓扑变化。所以对于湍流模型和分离多相流模型的组合,最好使用水平集法。水平集法和相场法都可以与 COMSOL Multiphysics 中的所有湍流模型结合使用,如下图和动画所示。 在COMSOL Multiphysics中,所有湍流模型都可以与相场法和水平集法相结合来模拟两相流。   将水平集法与 k-e 湍流模型相结合模拟反应堆中水和空气的两相流。 分散多相流模型 万一相边界过于复杂而无法解析,则必须使用分散多相流模型。 CFD 模块提供了 4 种不同的模型(原理上): 气泡流模型 适合高密度相中包含较小体积分数低密度相 混合模型 适合连续相中包含较小体积分数的分散相(或几个分散相),其密度与一个或多个分散相相近 欧拉–欧拉模型 适用于任何类型的多相流 可以处理任何类型的多相流,且气体中有密集颗粒,例如流化床 欧拉–拉格朗日模型 适合包含相对较少(成千上万,而不是数十亿)的气泡、液滴或悬浮颗粒流体 适合气泡、颗粒、液滴或使用方程模拟的颗粒,该方程假定流体中每个颗粒的力平衡 什么时候使用不同的分散多相流模型? 气泡流模型 气泡流模型显然适用于液体中的气泡。由于忽略了分散相的动量贡献,因此该模型仅在分散相的密度比连续相小几个数量级时才有效。 混合物模型 混合物模型与气泡流模型相似,但考虑了分散相的动量贡献。它通常用于模拟分散在液相中的气泡或固体颗粒。混合物模型还可以处理任意数量的分散相。混合物模型和气泡流模型均假设分散相与连续相处于平衡状态,即分散相不能相对于连续相加速。因此,混合物模型无法处理分散在气体中的大固体颗粒。 当多相流混合物被迫通过孔口时,用混合物模型模拟了5种不同大小的气泡。流动中的剪切力导致较大的气泡破裂成较小的气泡。 欧拉–欧拉模型 […]

开发用于按需 DNA 合成的硅 MEMS 芯片

2020年 1月 21日

体细胞基因组编辑逐渐表现出能够治疗多种遗传疾病的能力。随着功能强大的基因组编辑工具 CRISPR-Cas9 的不断发展,人们对 DNA 合成技术的需求也越来越多。

熵捕获中的 DNA 快速分离过程模拟

2019年 5月 9日

在调查犯罪时,法医专家有时会使用DNA证据来识别犯罪嫌疑人。然而,DNA不仅包含识别信息,还有我们基因构成的线索。DNA 分离可以用来深入研究 DNA 链,但是传统方法很耗时。

设计可实现材料精确沉积的喷墨打印头

2017年 1月 4日

不管是 2D 或 3D 喷墨打印机,喷嘴设计都是保证装置实现精确材料沉积的重要前提,具有重要意义。

借助仿真设计高效的透皮给药贴片

2016年 11月 29日

透皮给药(transdermal drug delivery,简称 TDD)贴片的作用是在一段时间内将药物持续渗透到患者体内。然而,人体的皮肤是阻止外来物质(也包括药物在内)入侵的天然屏障。为了制造出可有效穿透皮肤的 TDD 贴片,研究人员利用仿真对药物的释放过程和皮肤的吸收过程进行了研究。Veryst 工程公司(Veryst Engineering)在 COMSOL Multiphysics® 软件中创建了 TDD 贴片模型,并将仿真结果与实验数据进行了比较。

治疗糖尿病的胰岛素微泵设计

2016年 7月 21日

对于所有的治疗方式,人们总是希望可以在确保安全性和有效性的前提下,尽可能地减少治疗过程给患者带来的不适。对于糖尿病患者来说,注射胰岛素仍然是一种重要的治疗方式,然而注射过程却会伴随着疼痛。来自安大略理工大学(University of Ontario Institute of Technology)的研究团队,希望借助多物理场仿真开发出一种以 MEMS(微机电系统)为基础的微泵,这种微泵可以以一种安全无痛苦的方式来进行胰岛素的注射。

利用全新的相场接口模拟三相流

2015年 12月 16日

在 COMSOL Multiphysics 5.2 版本中,对“CFD模块”和“微流体模块”各添加了一个全新的流体流动接口,实现分离三相流的建模。这个流体流动接口中模型可以考虑每两种流体之间的表面张力、与壁的接触角,以及每种流体的密度与黏度等因素。相场法可计算三相流之间的界面形状,以及考虑其与壁之间的相互作用。

聚焦电润湿透镜

2015年 8月 31日

调整相机镜头的焦距可以改变视角。微型镜头也可以通过一种称之为电润湿 的方法来实现这种变化。电润湿方法通过施加电压来改变自由表面与固体表面接触点的受力平衡。然而,由于自由面会产生振动,致使我们无法立即捕捉到焦点。在本文中,我们将探讨施加电压时,维持自由面临界阻尼所需的最佳粘度值。


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