انجام شبیه‌سازی‌های چندفیزیکی دستگاه‌های میکروسیال

با ماژول میکروفلوئیدیک Microfluidics Modul

شبیه‌سازی‌های میکروفلوئیدیک همه‌منظوره

ماژول Microfluidics ابزارهایی را برای شما به ارمغان می‌آورد که به راحتی کار می‌کنند تا دستگاه‌های microfluidic را مطالعه کنید. کاربردهای مهم شامل شبیه سازی دستگاه های آزمایشگاهی روی تراشه، میکروسیالات دیجیتال، دستگاه های الکتروکینتیک و مغناطیسی و جوهرافشان است.

ماژول Microfluidics شامل رابط های کاربری و ابزارهای شبیه سازی آماده برای استفاده است که اصطلاحاً رابط های فیزیکی نامیده می شود، برای جریان تک فاز، جریان رسانه متخلخل، جریان دو فاز و پدیده های انتقال.

کاهش مقیاس به جریان های میکرو

جریان‌های میکروسیال در مقیاس‌های طولی اتفاق می‌افتند که مرتبه‌ای کوچک‌تر از جریان‌های ماکروسکوپی هستند. دستکاری سیالات در مقیاس میکرو چندین مزیت دارد – معمولاً سیستم های میکروسیال کوچکتر هستند، سریعتر عمل می کنند و به سیال کمتری نسبت به معادل های ماکروسکوپی خود نیاز دارند.

کنترل ورودی و خروجی انرژی نیز آسان تر است (به عنوان مثال، گرمای تولید شده در یک واکنش شیمیایی) زیرا نسبت حجمی سطح به سطح سیستم بسیار بیشتر از یک سیستم ماکروسکوپی است. به طور کلی، با کاهش مقیاس طولی جریان سیال، خواصی که با مساحت سطح سیستم مقیاس می‌شوند، نسبتاً مهم‌تر از آنهایی می‌شوند که با حجم جریان مقیاس می‌شوند.

گردش کار برای مدل سازی دستگاه های میکروسیال

برای مدل‌سازی یک دستگاه میکروسیال، با وارد کردن یک فایل CAD یا از طریق ابزارهای مدل‌سازی هندسی که در COMSOL Multiphysics تعبیه شده‌اند، هندسه را در نرم‌افزار تعریف می‌کنید. برای وارد کردن مدل های هندسی، چندین گزینه در دسترس شماست: ماژول واردات CAD، برای واردات مدل های CAD مکانیکی. ماژول واردات ECAD برای واردات طرح‌بندی‌های الکترونیکی؛ و محصولات LiveLink™ برای CAD برای پیوند مستقیم به مدل های ایجاد شده در یک بسته نرم افزاری اختصاصی CAD. در مرحله بعد، ویژگی های سیال مناسب را انتخاب کرده و یک رابط فیزیک مناسب را انتخاب می کنید. شرایط اولیه و شرایط مرزی در رابط تنظیم می شوند. بعد، مش را تعریف می کنید. در بسیاری از موارد، مش پیش‌فرض COMSOL که به‌طور خودکار ایجاد می‌شود، که از پیش‌فرض‌های وابسته به فیزیک تولید می‌شود، برای مشکل مناسب خواهد بود. یک حل کننده انتخاب می شود، دوباره با پیش فرض های مناسب برای فیزیک مربوطه، و مشکل حل می شود. در نهایت، می توانید نتایج را تجسم کنید. شما به تمام این مراحل از COMSOL Desktop® دسترسی دارید. ماژول Microfluidics می‌تواند جریان‌های ثابت و وابسته به زمان را در دوبعدی و سه‌بعدی حل کند، و می‌تواند برای توسعه بیشتر قابلیت‌های مدل‌سازی با هر محصول اضافی دیگری همراه شود. یکی از این نمونه ها برای ردیابی ذرات منتشر شده در جریان جریان است که با ترکیب با ماژول ردیابی ذرات ممکن می شود.

جریان رسانه متخلخل

جریان از طریق محیط متخلخل نیز می تواند در هندسه های ریزمقیاس رخ دهد. هنگامی که اندازه منافذ در محدوده میکرون است و می توان از قانون دارسی استفاده کرد، جریان اغلب تحت اصطکاک است. ماژول Microfluidics دارای یک رابط فیزیک اختصاصی برای جریان رسانه متخلخل بر اساس قانون دارسی است. در این حالت تنش های برشی عمود بر جریان نادیده گرفته می شود. برای جریان های میانی، یک رابط فیزیک برای معادلات برینکمن در دسترس است. این مدل های رابط فیزیک از طریق یک محیط متخلخل جریان می یابد که در آن تنش های برشی نمی توانند نادیده گرفته شوند. هر دو فرمول استوکس-برینکمن، مناسب برای سرعت های جریان بسیار کم، و درگ Forchheimer، که برای محاسبه اثرات در سرعت های بالاتر استفاده می شود، پشتیبانی می شوند. سیال می تواند تراکم ناپذیر یا تراکم پذیر باشد، مشروط بر اینکه عدد ماخ کمتر از 0.3 باشد.

جریان تک فاز

رابط های جریان سیال از کمیت های فیزیکی مانند فشار و سرعت جریان و خواص فیزیکی مانند ویسکوزیته و چگالی برای تعریف مشکل جریان سیال استفاده می کنند. رابط فیزیک برای جریان آرام جریان های تراکم ناپذیر و ضعیف تراکم پذیر را پوشش می دهد. این رابط Fluid Flow همچنین امکان شبیه سازی جریان سیال غیر نیوتنی را فراهم می کند. یک رابط فیزیک برای جریان خزنده زمانی استفاده می شود که عدد رینولدز به طور قابل توجهی کمتر از 1 باشد. این اغلب به عنوان جریان استوکس نامیده می شود و برای استفاده در زمانی که جریان ویسکوز غالب است مناسب است. معمولاً برای دستگاه های میکروسیال قابل استفاده است.

جریان دو فازی در Microfluidics Modul

سه روش مختلف برای جریان دو فازی موجود است: روش‌های تنظیم سطح، میدان فاز و مش متحرک. اینها برای مدلسازی دو سیال که توسط یک رابط سیال از هم جدا شده اند و جایی که رابط متحرک با جزئیات دنبال می شود، از جمله نیروهای انحنای سطحی و کشش سطحی استفاده می شود. روش های تنظیم سطح و میدان فاز از یک مش پس زمینه ثابت استفاده می کنند و معادلات اضافی را برای ردیابی مکان رابط حل می کنند. روش مش متحرک معادلات جریان را روی یک مش متحرک با شرایط مرزی حل می کند تا سطح مشترک سیال را نشان دهد. در این حالت، معادلات اضافی برای تغییر شکل مش با استفاده از روش دلخواه لاگرانژی-اولری (ALE) حل می‌شوند. همه این روش‌ها و رابط‌های فیزیکی آن‌ها از جریان‌های آرام تراکم‌پذیر و غیرقابل تراکم پشتیبانی می‌کنند، جایی که یک یا هر دو سیال می‌توانند غیر نیوتنی باشند.

جریان نادر در Microfluidics Modul

جریان گاز نادر زمانی اتفاق می افتد که میانگین مسیر آزاد مولکول ها با مقیاس طول جریان قابل مقایسه باشد. عدد نادسن، Kn، اهمیت اثرات نادری بر جریان را مشخص می کند. همانطور که گاز کمیاب می شود (مرتبط با افزایش عدد نادسن)، لایه نادسن، که در یک مسیر آزاد متوسط دیوار وجود دارد، شروع به تأثیر قابل توجهی بر جریان می کند. برای اعداد Knudsen زیر 0.01، نادر بودن را می توان نادیده گرفت و رابط های فیزیکی جریان آرام ماژول Microfluidics را می توان با شرایط مرزی بدون لغزش استفاده کرد. برای گازهای کمیاب (0.01<Kn<0.1)، لایه نادسن را می توان با شرایط مرزی مناسب در دیوارها همراه با معادلات ناویر-استوکس پیوسته در حوزه مدل کرد. در این مثال، یک رابط فیزیک ویژه Slip Flow در ماژول Microfluidics موجود است. برای مدل سازی اعداد نادسن بالاتر، ماژول جریان مولکولی مورد نیاز است.

پلت فرم شبیه سازی میکروسیالات انعطاف پذیر و قوی

جهت دانلود آموزش کامل ماژول میکروفلوئید Microfluidics Module in comsol لطفا کلیک کنید.

جهت یادگیری کامل نرم افزار کامسول آموزش های رایگان ما را در سایت حامی پروژه دنبال نمایید. و در صورت مشکل در انجام پروژه های comsol خود با متخصصین حامی پروژه در تماس باشید. برای ارتباط با تیم تخصصی کامسول حامی پروژه با شماره 09934702599 تماس حاصل نمایید.