Microfluidics Module
Eseguire simulazioni multifisiche di dispositivi microfluidici con il Microfluidics Module

Una goccia di inchiostro viene espulsa da un ugello e viaggia nell'aria fino a colpire il bersaglio. Il modello può essere utilizzato per comprendere l'effetto delle proprietà dell'inchiostro e del profilo di pressione all'ugello sulla velocità della goccia, sul volume della goccia e sulla presenza di gocce satellitari.
Simulazioni di microfluidica generiche
Il Microfluidics Module offre strumenti intuitivi per lo studio di dispositivi microfluidici. Le principali applicazioni comprendono simulazioni di dispositivi Lab-on-a-chip (LOC), microfluidica digitale, apparati elettrocinetici e magnetocinetici e stampanti a getto d'inchiostro. Il Microfluidics Module include interfacce utente e strumenti di simulazione pronti all'uso, le cosiddette interfacce fisiche, per flusso monofase, flusso in mezzi porosi, flusso bifase e fenomeni di trasporto.
Riduzione al flusso microscalare
Il flusso microfluidico avviene su scale di lunghezza infinitamente più piccole rispetto ai flussi macroscopici. La manipolazione dei fluidi a livello microscalare porta con sé molti vantaggi: in genere i sistemi microfluidici sono più piccoli, funzionano più velocemente e richiedono meno fluido dei loro equivalenti macroscopici.
In questi sistemi è anche più facile controllare i dati di energia fornita e assorbita (ad esempio, il calore generato in una reazione chimica), perché il rapporto superficie-area del sistema è molto maggiore rispetto a un sistema macroscopico. In generale, man mano che si riduce la scala di lunghezza del flusso, le proprietà che si riducono con l'area superficiale del sistema assumono comparativamente un'importanza maggiore di quelle che scalano con il volume del flusso.
Ciò è evidente nel flusso stesso dove le forze di viscosità, che sono generate dal taglio sulle superfici di isovelocità, prevalgono sulle forze inerziali. Il numero di Reynolds (Re) che caratterizza il rapporto tra queste due forze è in genere basso, quindi il flusso è solitamente laminare. In molti casi si realizza il cosiddetto Creeping Flow (flusso alla Stokes, che si ottiene per Re«1). I flussi laminari e i creeping flow rendono particolarmente difficile la miscelazione, quindi il trasporto di massa è spesso limitato dalla diffusione. Di conseguenza vengono adottate svariate tecniche per migliorare la miscelazione nei dispositivi microfluidici. Il Microfluidics Module è progettato specificamente per la gestione della quantità di moto, del calore e del trasporto di massa, con una particolare attenzione per il flusso a livello microscalare. Ciò ha implicazioni per il trasporto chimico all'interno di sistemi microfluidici.
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Le funzionalità multifisiche generali di COMSOL sono particolarmente adatte per la gestione di molti effetti su microscala utilizzati in dispositivi microfluidici. È facile impostare simulazioni accoppiate di elettrocinetica e magnetodinamica – come elettroforesi, magnetoforesi, dielettroforesi, elettro-osmosi ed electrowetting. Inoltre, le funzionalità di diffusione chimica e reazioni delle specie diluite del modulo permettono di simulare i processi che interessano i dispositivi Lab-on-a-chip. Sono disponibili condizioni al contorno specifiche per simulare i flussi di gas rarefatti, che permettono la trattazione dei fluidi nel regime di slip flow. Il Microfluidics Module offre anche interfacce dedicate per la simulazione del flusso bifase con i metodi specifici (level-set, phase-field e mesh mobile). Ciascuna di queste interfacce comprende le funzionalità del Microfluidics Module per modellare le forze di tensione superficiale, le forze capillari e gli effetti Marangoni.
Workflow per la modellazione di dispositivi microfluidici
Per modellare un dispositivo microfluidico, è necessario prima di tutto definire la geometria utilizzando gli strumenti di modellazione nativa di COMSOL o importando un modello CAD. Sono disponibili vari prodotti per importare modelli di geometria: il CAD Import Module per l'importazione di modelli CAD meccanici, l'ECAD Import Module per l'importazione di layout elettronici e i prodotti LiveLink™ per CAD con un collegamento diretto ai modelli creati in un apposito software CAD. Quindi si selezionano le proprietà del fluido e si sceglie un'interfaccia fisica adatta. Si impostano le condizioni iniziali e al contorno nell'interfaccia, poi viene definita la mesh. In molti casi, si potrà accettare la mesh predefinita creata automaticamente da COMSOL, che viene generata sulla base di valori predefiniti dipendenti dall'ambito fisico. Si sceglie un solutore, sempre con opportuni valori predefiniti per la fisica in studio, e si risolve il problema. Infine, è possibile visualizzare i risultati. Tutti questi passaggi possono essere effettuati in COMSOL Desktop®. Il Microfluidics Module può risolvere problemi di flusso stazionario e dipendente dal tempo in 2D e 3D e può essere accoppiato con qualsiasi altro prodotto aggiuntivo per ampliare ulteriormente le funzionalità di modellazione. Per esempio, il tracciamento delle particelle rilasciate in un flusso è reso possibile dalla combinazione con il Particle Tracing Module.
Flusso monofase
Le interfacce del Fluid Flow utilizzano quantità fisiche come pressione e portata e proprietà fisiche come viscosità e densità, per definire un problema di fluidodinamica. L'interfaccia fisica per il flusso laminare riguarda i flussi incomprimibili e debolmente comprimibili e consente anche la simulazione del flusso di fluidi non newtoniani. L'interfaccia fisica Creeping Flow è utilizzata quando il numero di Reynolds è significativamente minore di 1. In questo regime di flusso, anche denominato flusso di Stokes, prevalgono le forze di viscosità e questo regime si realizza solitamente nei dispositivi microfluidici.
Flusso bifase
Sono disponibili tre diversi metodi per il flusso bifase: level-set, phase-field e mesh mobile. Questi sono utilizzati per modellare i due fluidi separati da un'interfaccia fluida e dove l'interfaccia mobile viene tracciata accuratamente, comprese le forze di tensione superficiale e la curvatura di superficie. I metodi level-set e phase-field utilizzano una mesh fissa e risolvono equazioni aggiuntive per tener traccia della posizione dell'interfaccia. Il metodo della mesh mobile risolve le equazioni del flusso su una mesh in movimento, dove le condizioni al contorno rappresentano l'interfaccia fluida. In questo caso, vengono risolte altre equazioni per la deformazione della mesh mediante il metodo lagrangiano-euleriano arbitrario (ALE). Tutti questi metodi e le loro interfacce fisiche supportano flussi laminari comprimibili e incomprimibili, dove uno o entrambi i fluidi possono essere non newtoniani.
Flusso rarefatto
Il flusso di un gas rarefatto si manifesta quando il cammino libero medio molecolare diventa paragonabile alla scala di lunghezza del flusso. Il numero di Knudsen (Kn) caratterizza l'importanza degli effetti di rarefazione sul flusso. Via via che il gas diventa rarefatto (Knudsen crescente), parte dello strato di Knudsen entro una distanza di un cammino libero medio della parete ha un ruolo nella distribuzione del flusso (non è applicabile la condizione naturale alla fluidodinamica non rarefatta, nessuno scorrimento a parete). Per numeri di Knudsen inferiori a 0,01, la rarefazione può essere trascurata e si possono utilizzare le interfacce fisiche per il flusso laminare del Microfluidics Module con condizioni al contorno senza scorrimento (non-slip). Per i gas rarefatti nel regime 0,01 < Kn < 0,1, lo strato di Knudsen può essere modellato da adeguate condizioni al contorno in corrispondenza delle pareti, insieme alle equazioni del continuo di Navier-Stokes nel dominio. In questo caso, nel Microfluidics Module è disponibile un'interfaccia fisica specifica: Slip Flow. Per modellare numeri di Knudsen più alti, è necessario il Molecular Flow Module.
Flusso in mezzi porosi
LENTE "LIQUIDA": l'illustrazione in alto mostra una lente liquida con messa a fuoco regolabile, il cui raggio di curvatura può essere appiattito per effetto di electrowetting. I colori mostrano il modulo di velocità del fluido nella parte inferiore della lente colma di olio, mentre il diagramma con vettori mostra la velocità nel liquido sopra la lente di olio.
È a disposizione una speciale interfaccia fisica per i modelli di flussi parzialmente liberi e parzialmente in mezzi porosi, o per il solo flusso in mezzi porosi, tramite le equazioni di Brinkman. Risolve tanto il flusso laminare esterno al mezzo poroso quanto il flusso nella matrice porosa considerando appieno l'accoppiamento tra i due. Queste interfacce sono adatte per il flusso microfluidico in mezzi porosi. Un esempio di applicazione riguarda la microfluidica della carta e il trasporto in tessuti biologici.
Effetti di elettroidrodinamica
A livello di microscale, si possono sfruttare vari effetti elettroidrodinamici che influenzano il flusso. Il Microfluidics Module è un ottimo strumento per la modellazione di quasi tutti gli effetti di questo tipo. La forza del campo elettrico dovuta all'applicazione di una data tensione scala favorevolmente alle piccole scale ed è possibile applicare al fluido un campo relativamente elevato con tensioni moderate. Nell'elettro-osmosi, gli ioni non compensati nel doppio strato elettrico carico (Electric Double Layer, EDL) presente sulle superfici del fluido sono spostati da un campo elettrico, provocando un flusso. Il Microfluidics Module offre una condizione al contorno specifica di velocità elettro-osmotica tra le diverse condizioni al contorno per le pareti. Le forze elettroforetiche e dielettroforetiche su particelle cariche o polarizzate nel fluido sono utilizzabili per indurre il moto delle particelle, come lo sono le forze diamagnetiche nel caso della magnetoforesi. Il Particle Tracing Module fornisce la forza agente su particelle elettroforetiche e dielettroforetiche in modo automatico. Combinando il Microfluidics Module con l'AC/DC Module è possibile modellare la dielettroforesi AC.
Anche la modifica degli angoli di contatto da parte dei fenomeni di electrowetting è facile nei microdispositivi. L'electrowetting è un fenomeno ampiamente utilizzato, alla base di varie nuove tecnologie di visualizzazione. Il Microfluidics Module consente la manipolazione diretta dell'angolo di contatto con espressioni definite dall'utente, compresi i parametri di tensione.
Trasporto di massa
Il Microfluidics Module offre un'interfaccia fisica dedicata per il trasporto di specie diluite, utilizzata per simulare il trasporto di specie chimiche per diffusione, convezione (se accoppiata alla fluidodinamica) e migrazione in campi elettrici per miscele con un componente – solvente – presente in maniera predominante (oltre 90% mol). Questo genere di simulazione è molto usato per la modellazione delle prestazioni dei miscelatori. Per modellare le reazioni chimiche in dispositivi microfluidici, è possibile combinare il Microfluidics Module con il Chemical Reaction Engineering Module, che mette anche a disposizione il trasporto di specie concentrate con diffusione binaria.
Piattaforma di simulazione microfluidica flessibile e robusta
In ognuna delle interfacce del Microfluidics Module, i principi fisici di base sono espressi sotto forma di equazioni differenziali alle derivate parziali, insieme alle corrispondenti condizioni iniziali e al contorno. La progettazione in COMSOL pone l'accento sui fenomeni fisici e fornisce le soluzioni per le diverse applicazioni, oltre a consentire l'accesso completo al sistema di equazioni sottostante per aggiungervi equazioni ed espressioni definite dall'utente con la massima flessibilità. Ad esempio, per modellare il trasporto di una specie che influenza in maniera apprezzabile la viscosità del fluido, basta inserire la viscosità dipendente dalla concentrazione, senza dover programmare esternamente alcuno script o codice. Quando COMSOL compila le equazioni, gli accoppiamenti complessi generati da queste espressioni definite dall'utente vengono inclusi automaticamente nel sistema di equazioni. Le equazioni vengono quindi risolte applicando il metodo agli elementi finiti e consolidati metodi di soluzione. Ottenuta una soluzione, sono disponibili diversi strumenti di post-processing con i quali analizzare i dati; grafici predefiniti vengono generati automaticamente per visualizzare la soluzione. COMSOL offre la flessibilità necessaria per valutare una vasta gamma di grandezze fisiche, tra cui grandezze predefinite come la pressione, la velocità, la velocità di deformazione o la vorticità (disponibili tramite menu intuitivi), così come espressioni arbitrarie definite dall'utente.
Interfacciamento con Excel® e MATLAB®
È possibile combinare il Microfluidics Module con Microsoft® Excel® tramite il LiveLink™ for Excel®. Questo prodotto LiveLink™ aggiunge nel ribbon di Excel una tab dedicata a COMSOL contenente strumenti per controllare i parametri, le variabili e la mesh o per eseguire una simulazione. Include anche la funzionalità di importazione ed esportazione di liste di parametri e variabili da file Excel in COMSOL Desktop®.
Per comandare le simulazioni COMSOL mediante script, è possibile utilizzare congiuntamente MATLAB® e COMSOL attraverso l'interfaccia fornita dal LiveLink™ for MATLAB®. Con questo LiveLink™ è possibile accedere a tutte le funzionalità di COMSOL Desktop® attraverso l'esaustivo set di comandi MATLAB. Si tratta di un'alternativa a livello di programmazione all'utilizzo di COMSOL Desktop® per le simulazioni microfluidiche.
Caratteristiche del Prodotto
- Flussi in mezzi porosi anisotropi
- Espressioni arbitrarie definite dall'utente per il postprocessing
- Mesh automatica di boundary layer
- Variabili interne per il calcolo dei numeri di Reynolds, Prandtl, Nusselt, Rayleigh e Grashof
- Creeping flow
- Forze capillari
- Effetti elettrocinetici
- Flussi in mezzi porosi attraverso la legge di Darcy e le equazioni di Brinkman
- Interazione fluido-struttura (FSI)1
- Resistenza di Forchheimer per flussi in mezzi porosi
- Flussi laminari
- Effetti Marangoni
- Effetti di migrazione
- Interfaccia utente multi-specie
- Fluidi newtoniani e non newtoniani
- Metodi di particle tracing dove le particelle possono modifica il flusso (Lagrange-Euler)2
- Flussi di scorrimento
- Approssimazione di canali sottili per flussi 2D
- Trasporto di specie in mezzi porosi
- Effetti di tensione superficiale
- Flussi bifase con il metodo Level-set
- Flussi bifase con il metodo phase-field
- Flussi bifase con moving mesh basata sulla formulazione arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)
1 Insieme con lo Structural Mechanics Module o con il MEMS Module
2 Insieme con il Particle Tracing Module
Campi di Utilizzo
- Strumentazioni capillari
- Sensori chimici e biochimici
- Dielettroforesi (DEP)
- Circuiti DNA
- Elettrocoalescenza
- Flussi elettrocinetici
- Elettrosmosi
- Elettrosmosi
- Electrowetting
- Emulsioni
- Getti d'inchiostro
- Lab-on-a-chip
- Magnetoforesi
- Microreattori, micropompe e micromiscelatori
- Sensori microfluidici
- Flussi di gas poco rarefatti (flusso di scorrimento)
- Miscelatori statici
- Effetti di tensione superficiale
- Flussi bifase
- Flussi polimerici e flussi viscoelastici
- Optofluidica
Droplet Breakup in a T-Junction
Emulsions consist of small liquid droplets immersed in an immiscible liquid and widely occur in the production of food, cosmetics, fine chemicals, and pharmaceutical products. The quality of the product is typically dependent on the size of the droplets. Simulating these processes can help in optimizing these droplets as well as other process ...
Capillary Filling
This example studies a narrow vertical cylinder placed on top of a reservoir filled with water. Because of wall adhesion and surface tension at the air/water interface, water rises through the channel. Surface tension and wall adhesive forces are often used to transport fluid through microchannels in MEMS devices or to measure, transport and ...
Separation Through Electrocoalescence
Applying an electric field across a suspension of immiscible liquids may stimulate droplets of the same phase to coalesce. The method known as electrocoalescence has important applications, for instance, in the separation of oil from water. To model electrocoalescence, you need to solve the Navier-Stokes equations, describing the fluid motion, ...
Inkjet Nozzle — Level Set Method
Although initially invented to be used in printers, inkjets have been adopted for other application areas, such as within the life sciences and microelectronics. Simulations can be useful to improve the understanding of the fluid flow and to predict the optimal design of an inkjet for a specific application. The purpose of this application is to ...
Transport in an Electrokinetic Valve
This application presents an example of pressure driven flow and electrophoresis in a 3D micro channel system. Researchers often use a device similar to the one in this model as an electrokinetic sample injector in biochips to obtain well-defined sample volumes of dissociated acids and salts and to transport these volumes. Focusing is obtained ...
Drug Delivery System
This example describes the operation of a drug delivery system that supplies a variable concentration of a water soluble drug. A droplet with a fixed volume of water travels down a capillary tube at a constant velocity. Part of the capillary wall consists of a permeable membrane separating the interior of the capillary from a concentrated ...
Electrowetting Lens
The contact angle of a two-fluid interface with a solid surface is determined by the balance of the forces at the contact point. In electrowetting the balance of forces at the contact point is modified by the application of a voltage between a conducting fluid and the solid surface. In many applications the solid surface consists of a thin ...
Controlled Diffusion Separator
This model simulates an H-shaped micro-cell designed for diffusion-controlled separation. The cell puts two different laminar streams in contact for a controlled period of time. The contact surface is well-defined and, by controlling the flow rate, it is possible to control the amount of species that are transported from one stream to the other ...
Lamella Mixer
At the macroscopic level, systems usually mix fluids using mechanical actuators or turbulent 3D flow. At the microscale level, however, neither of these approaches is practical or even possible. This model demonstrates the mixing of fluids using laminar-layered flow in a MEMS mixer. This model analyzes the steady-state condition of the fluid ...
Electroosmotic Micromixer
Microlaboratories for biochemical applications often require rapid mixing of different fluid streams. At the microscale, flow is usually highly ordered laminar flow, and the lack of turbulence makes diffusion the primary mechanism for mixing. While diffusional mixing of small molecules (and therefore of rapidly diffusing species) can occur in a ...
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