Microfluidics Module

Eseguire simulazioni multifisiche di dispositivi microfluidici

Il Microfluidics Module, componente aggiuntivo di COMSOL Multiphysics®, offre funzioni di facile utilizzo per lo studio di dispositivi microfluidici. Tra le applicazioni più importanti vi sono le simulazioni di dispositivi lab-on-a-chip, microfluidica digitale, dispositivi elettrocinetici e magnetocinetici e inkjet. Il Microfluidics Module può essere utilizzato per simulare flussi creeping, laminari, in mezzi porosi, multifase e di scorrimento, e può risolvere flussi stazionari e dipendenti dal tempo in 2D e 3D. Se combinato con altri moduli della suite di prodotti COMSOL, le funzionalità del modulo per la modellazione di fenomeni multifisici possono essere ampliate per modellare l'interazione fluido-struttura, i flussi termici e altro ancora.

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Modello di canale di miscelazione split-and-recombine (dividi e ricombina) che mostra la concentrazione.

Descrivere la fluidodinamica su scala microscopica

I processi microfluidici avvengono su scale di lunghezza di ordini di grandezza inferiori rispetto a quelli macroscopici. La manipolazione dei fluidi su scala microscopica presenta una serie di vantaggi: essendo più piccoli, i sistemi microfluidici funzionano in genere più velocemente e richiedono una quantità minore di fluido rispetto ai loro equivalenti macroscopici.

Anche gli input e gli output di energia (per esempio, il calore generato in una reazione chimica) sono più facilmente controllabili, perché il rapporto superficie/area del sistema è molto maggiore di quello di un sistema macroscopico. In generale, quando la scala di lunghezza della fluidodinamica si riduce, le proprietà che scalano con l'area superficiale del sistema diventano relativamente più importanti di quelle che scalano con il volume del flusso.

Il Microfluidics Module è progettato specificamente per gestire la quantità di moto, il calore e il trasporto di massa, con considerazioni specifiche per la fluidodinamica alla microscala.

Cosa puoi modellare con il Microfluidics Module

Esegui svariate analisi di microfluidica con il software COMSOL®.

Vista in primo piano di un modello rettangolare con contorni rainbow.

Dispositivi Lab-on-a-Chip

Calcolare la distribuzione radiale della pressione e la portata attraverso una piattaforma rotante lab-on-a-chip.

Vista in primo piano di un modello di microcanale che mostra il campo di velocità.

Canali microfluidici

Instillare e diffondere un fluido nelle apparecchiature collegate.

Vista in primo piano di un modello di micropompa che mostra il campo di velocità.

Micropompe

Modellare sistemi microfluidici con applicazioni che vanno dalla gestione dei fluidi biologici al raffreddamento microelettronico.

Vista in primo piano di un modello di micromiscelatore che mostra la concentrazione.

Micromiscelatori

Simulare la miscelazione rapida di diversi fluidi.

Vista in primo piano di un modello a getto d'inchiostro che mostra l'intensità della velocità.

Stampa a getto d'inchiostro

Modellare la fluidodinamica di un getto d'inchiostro per prevedere la progettazione ottimale dello stesso.

Vista in primo piano di un modello di un dispositivo di somministrazione di farmaci che mostra la concentrazione.

Somministrazione di farmaci

Descrivere il funzionamento di un sistema di somministrazione di farmaci.

Vista in primo piano di un modello di cella a combustibile che mostra l'umidità relativa.

Celle a combustibile

Studiare i progetti e le sfide costruttive delle celle a combustibile con membrana a scambio protonico (PEM).

Vista in primo piano di un modello di lente elettroforetica che mostra l'intensità della velocità.

Dispositivi ottici a elettrodeposizione

Modificare l'angolo di contatto cambiando la tensione applicata al liquido conduttore.

Vista in primo piano di un modello di valvola elettrocinetica che mostra la concentrazione.

Valvole elettrocinetiche

Analizzare il flusso guidato dalla pressione e l'elettroforesi in un sistema a microcanali 3D.

Vista in primo piano di quattro test di rilevamento con un campione liquido.

Test di rivelazione

Studiare le possibili simmetrie nella diffusione di un campione liquido in una striscia reattiva.

Caratteristiche e funzionalità del Microfluidics Module

Le funzionalità del Microfluidics Module sono in grado di risolvere diversi problemi di simulazione.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Laminar Flow evidenziato e un mixer di lamelle nella finestra Graphics.

Flusso monofase

Le interfacce Fluid Flow utilizzano grandezze fisiche, come la pressione e la portata, e proprietà fisiche, come la viscosità e la densità, per definire un problema di fluidodinamica. L'interfaccia Laminar Flow comprende flussi incomprimibili e debolmente comprimibili. Questa interfaccia consente anche la simulazione di fluidi non newtoniani. L'interfaccia per il flusso a scorrimento viene utilizzata quando il numero di Reynolds è significativamente inferiore a uno. Questa interfaccia è spesso chiamata Stokes flow ed è appropriata per l'uso quando il flusso viscoso è dominante. È solitamente applicabile ai dispositivi microfluidici.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Three-Phase Flow, Phase Field evidenziato e un modello a bolle trifase nella finestra Graphics.

Flusso trifase

L'interfaccia multifisica Laminar Three-Phase Flow, Phase Field è progettata per tracciare le interfacce tra tre fluidi immiscibili e incomprimibili. Si assume che il flusso sia laminare, ossia che il numero di Reynolds sia da basso a moderato e che la densità di ciascuna fase sia costante. L'interfaccia risolve le equazioni di Navier-Stokes per la conservazione della quantità di moto e l'equazione di continuità per la conservazione della massa. La posizione dell'interfaccia è tracciata risolvendo quattro equazioni di trasporto aggiuntive, due per le variabili del campo di fase e due per i potenziali chimici generalizzati. Il movimento della superficie è determinato dalla minimizzazione dell'energia libera. È disponibile anche un'interfaccia Ternary Phase Field per tracciare le interfacce in movimento tra tre fluidi immiscibili risolvendo due variabili di campo di fase e due variabili di potenziale chimico generalizzato.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Transport of Diluted Species evidenziato e un modello di microcanale nella finestra Graphics.

Trasporto di specie

Il Microfluidics Module fornisce un'interfaccia dedicata al trasporto di specie diluite. Viene utilizzato per simulare il trasporto di specie chimiche attraverso la diffusione, la convezione (se accoppiata alla fluidodinamica) e la migrazione in campi elettrici per miscele in cui un componente — un solvente — è presente in eccesso (90 mol% o più). In genere viene impiegato per modellare le prestazioni dei miscelatori. Per la modellazione di reazioni chimiche in dispositivi microfluidici, il Microfluidics Module può essere combinato con il Chemical Reaction Engineering Module, che rende disponibile anche il trasporto di specie concentrate con diffusione binaria.

Vista in primo piano delle impostazioni di Transport Properties e di un modello di valvola elettrocinetica nella finestra Graphics.

Flusso elettrocinetico

Quando si modella il trasporto di specie diluite, è possibile includere l'elettromigrazione degli ioni in un campo elettrico statico, secondo l'equazione di Nernst–Planck. Le applicazioni di questa funzionalità includono la mobilità elettroforetica e il flusso elettroosmotico, cioè il flusso elettrocinetico. Il Microfluidics Module può essere combinato con il Chemical Reaction Engineering Module per accedere all'interfaccia Nernst–Planck e all'interfaccia Electrophoretic Transport, che sono dedicate alla modellazione degli elettroliti e possono includere le formulazioni dell'equazione di Poisson o la condizione di elettroneutralità per il bilancio di carica. La combinazione delle equazioni di Nernst–Planck e di Poisson può essere utilizzata per la modellazione dei doppi strati carichi e del flusso elettroosmotico.

Vista in primo piano del Two-Phase Flow, delle impostazioni del nodo Level Set e di un modello di rottura delle gocce nella finestra Graphics.

Flusso bifase

Nel Microfluidics Module sono disponibili tre diversi metodi per la modellazione del flusso bifase: level set, phase field e moving mesh. Questi metodi sono utilizzati per modellare due fluidi separati da un'interfaccia fluida in movimento, dove l'interfaccia viene tracciata in dettaglio, comprese la curvatura della superficie e le forze di tensione superficiale. I metodi level set e phase field utilizzano una mesh di base fissa e risolvono equazioni aggiuntive per tracciare la posizione dell'interfaccia. Il metodo della moving mesh risolve l'equazione del flusso su una mesh mobile e le condizioni al contorno che rappresentano l'interfaccia del fluido sono applicate direttamente alla superficie. In questo caso, le equazioni aggiuntive sono risolte per la deformazione della mesh mediante il metodo arbitrario lagrangiano-euleriano (ALE). Tutti questi metodi e le loro interfacce supportano flussi laminari sia comprimibili che incomprimibili, in cui uno o entrambi i fluidi possono essere non newtoniani.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Brinkman Equations evidenziato e un modello di reattore poroso nella finestra Graphics.

Flusso di mezzi porosi

Il flusso dei mezzi porosi può verificarsi anche in geometrie su microscala. Quando la dimensione dei pori è dell'ordine dei micron, il flusso è spesso dominato dall'attrito; in questi casi, la legge di Darcy può essere utilizzata per risolvere il flusso. Il Microfluidics Module dispone di un'interfaccia dedicata al flusso dei mezzi porosi basato sulla legge di Darcy. In questo caso, le sollecitazioni di taglio perpendicolari al flusso sono trascurate. Per i flussi intermedi, è disponibile un'interfaccia per le equazioni di Brinkman. Questa interfaccia modella il flusso attraverso un mezzo poroso in cui le sollecitazioni di taglio non possono essere trascurate. Sono supportate sia la formulazione di Stokes-Brinkman, adatta a velocità di flusso molto basse, sia la resistenza di Forchheimer, utilizzata per tenere conto degli effetti a velocità più elevate. Il fluido può essere incomprimibile o comprimibile, a condizione che il numero di Mach sia inferiore a 0,3. La formulazione consente di tenere conto degli effetti del fluido libero e poroso. La formulazione consente modelli di mezzi liberi e porosi, compresi i mezzi porosi che utilizzano le equazioni di Brinkman o il flusso laminare.

Queste interfacce sono appropriate per il flusso di mezzi porosi microfluidici. Esempi di applicazioni sono la microfluidica della carta e il trasporto nei tessuti biologici.

Vista in primo piano delle impostazioni di Slip Wall e di un modello di riferimento nella finestra Graphics.

Flusso rarefatto e di scorrimento

Il flusso di gas rarefatto si verifica quando il libero cammino medio delle molecole diventa paragonabile alla scala di lunghezza del flusso. Il numero di Knudsen, Kn, caratterizza l'importanza degli effetti di rarefazione sul flusso. Man mano che il gas diventa più rarefatto (ovvero il numero di Knudsen diventa più elevato), lo strato di Knudsen - che è presente all'interno di un libero cammino medio della parete - inizia ad avere un effetto significativo sul flusso. Per numeri di Knudsen inferiori a 0,01, la rarefazione può essere trascurata e le interfacce di flusso laminare del Microfluidics Module possono essere utilizzate con condizioni al contorno nonslip. Per i gas leggermente rarefatti (0,01 < Kn < 0,1), lo strato di Knudsen può essere modellato con condizioni al contorno appropriate alle pareti e con le equazioni di Navier-Stokes continue nel dominio. In questo caso, nel Microfluidics Module è disponibile l'interfaccia Slip Flow. Per modellare numeri di Knudsen più elevati, è necessario il Molecular Flow Module.

Ampliare la modellazione con il Microfluidics Module

Come per gli altri prodotti della suite COMSOL, quando il Microfluidics Module viene aggiunto a COMSOL Multiphysics®, le caratteristiche e le funzionalità sono completamente integrate nel flusso di lavoro di modellazione e sono pronte per essere utilizzate con altri moduli. Ad esempio, il Microfluidics Module può essere combinato con i moduli seguenti:

  • Heat Transfer Module per modellare i flussi termici e la conduzione, la convezione naturale e forzata, il riscaldamento Joule, gli effetti di termoforesi e Marangoni.
  • AC/DC Module per studiare gli effetti di magnetoforesi e magnetoidrodinamica
  • Structural Mechanics Module per eseguire simulazioni di interazione fluido-struttura per geometrie fisse e deformabili con flusso monofase o multifase
  • Chemical Reaction Engineering Module per modellare le reazioni chimiche e il trasporto di specie concentrate e accedere a funzionalità avanzate per la modellazione del trasporto di elettroliti e ioni con campi elettrici come forze motrici

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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