マイクロ流体デバイスのマルチフィジックスシミュレーションを実施する
COMSOL Multiphysics® のアドオンであるマイクロフルイディクスモジュールは, マイクロ流体デバイスを研究するための簡単に操作できる機能を提供します. 重要なアプリケーションには, ラボオンチップデバイス, デジタルマイクロ流体工学, 電気および磁動電デバイス, インクジェットのシミュレーションが含まれます. マイクロフルイディクスモジュールは, クリープ流れ, 層流, 多孔質媒体, 多相, 滑り流れのシミュレーションに使用でき, 2D および 3D で定常流れと時間依存流れを求解できます. COMSOL 製品の他のモジュールと組み合わせると, マルチフィジックス現象をモデル化するモジュールの機能を拡張して, 流体と構造の相互作用, 熱流などをモデル化できます.
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マイクロ流体の流れは, 巨視的な流れよりも桁違いに小さい長さスケールで発生します. マイクロスケールでの流体の操作には多くの利点があります. マイクロ流体システムはより小さいため, 通常, 巨視的に同等のシステムよりも高速に動作し, 必要な流体が少なくなります.
システムの表面積と面積の体積比が巨視的なシステムよりもはるかに大きいため, エネルギーの入力と出力 (たとえば, 化学反応で生成される熱) の制御も容易になります. 一般に, 流体の流れの長さスケールが小さくなると, システムの表面積に応じてスケールする特性が, 流れの体積に応じてスケールする特性よりも比較的重要になります.
マイクロフルイディクスモジュールは, マイクロスケールでの流体の流れを特別に考慮して, 運動量, 熱, 質量輸送を処理するために特別に設計されています.
COMSOL® ソフトウェアで様々なマイクロ流体解析を実行する.
回転するラボオンチッププラットフォームを通る半径方向の圧力分布と流量を計算します.
接続されている機器に液体を注入して洗い流します.
生体液処理からマイクロ電子冷却までの範囲のアプリケーションを備えたマイクロ流体システムをモデル化します.
異なる液体流れの急速攪拌をシミュレートします.
インクジェット内の流体流れをモデル化して, 最適なインクジェット設計を予測します.
ドラッグデリバリシステムの動作を記述します.
陽子交換膜 (PEM) 燃料電池の設計と建設の課題を解析します.
導電性液体に印加する電圧を変更することで接触角を変更します.
3D マイクロチャネルシステムで圧力駆動の流れと電気泳動を解析します.
テストストリップ内の液体サンプルの広がりにおいて起こり得る対称性を解析します.
マイクロフルイディクスモジュールの機能は, 複数のシミュレーション問題に対処できます.
流体流れ インターフェースは, 圧力や流量などの物理量, および粘度や密度などの物理的特性を使用して, 流体の流れの問題を定義します. 層流 インターフェースは, 非圧縮性の流れと弱圧縮性の流れをカバーします. このインターフェースでは, 非ニュートン流体の流れのシミュレーションも可能です. クリープ流れ用のインターフェースは, レイノルズ数が1より大幅に小さい場合に使用されます. これは ストークス流 と呼ばれることが多く, 粘性流が支配的な場合の使用に適しています. 通常, マイクロ流体デバイスに適用できます.
3相層流 (フェーズフィールド) インターフェースは, 3つの非混和性および非圧縮性流体間の界面を追跡するように設計されています. このマルチフィジックスインターフェースは, 層流 インターフェースと フェーズフィールド (3相) インターフェースを連成します. 流れは層流であると仮定されます. つまり, レイノルズ数は低から中程度であり, 各相の密度は一定です. このインターフェースは, 運動量保存のナビエ・ストークス方程式と質量保存の連続方程式を解きます. 界面の位置は, 4つの追加の輸送方程式 (2つはフェーズフィールド変数, 2つは一般化された化学ポテンシャル) を解くことによって追跡されます. 表面の動きは, 自由エネルギーの最小化によって決まります.
マイクロフルイディクスモジュールは, 希釈種輸送のための専用インターフェースを提供します. これは, 1つの成分 (溶媒) が過剰 (90 mol% 以上) 存在する混合物の電場における拡散, 対流 (流体の流れと組み合わせた場合), および移動による化学種輸送をシミュレートするために使用されます. 通常, ミキサーのパフォーマンスをモデル化するために使用されます. マイクロ流体デバイスにおける化学反応をモデル化するには, マイクロ流体モジュールを化学反応工学モジュールと組み合わせることができ, これにより二元拡散による濃縮種の輸送も可能になります.
希釈種輸送をモデル化する場合, ネルンストプランク方程式に従って, 静電場におけるイオンの電気浸透を含めることができます. この機能の応用には, 電気泳動移動度や電気浸透流, つまり界面動電流が含まれます. マイクロフルイディクスモジュールを化学反応工学モジュールと組み合わせて, ネルンストプランク インターフェースおよび 電気泳動輸送 インターフェースにアクセスできます. これらは電解質のモデリング専用であり, ポアソン方程式の定式化や電荷バランスの電気的中性条件を含めることができます. ネルンストプランク方程式とポアソン方程式の組み合わせは, 荷電二重層と電気浸透流のモデル化に使用できます.
マイクロフルイディクスモジュールでは, レベル セット法, フェーズフィールド法, および移動メッシュ法という3つの異なる方法を使用して二相流をモデル化できます. これらは, 移動する流体界面によって分離された2つの流体をモデル化するために使用され, 界面は表面曲率や表面張力を含めて詳細に追跡されます. レベルセットおよびフェーズフィールドの方法では, 固定背景メッシュを使用し, 追加の方程式を解いて界面の位置を追跡します. 移動メッシュ法では, 移動メッシュ上で流れ方程式を解き, 流体界面を表す境界条件が表面に直接適用されます. この場合, 任意のラグランジュ・オイラー法 (ALE) 法を使用して, メッシュ変形に対する追加の方程式が解かれます. これらの方法とそのインターフェースはすべて, 一方または両方の流体が非ニュートン流体を扱うことができ, 圧縮性層流と非圧縮性層流の両方をサポートしています.
多孔質媒体流れは, マイクロスケールの形状でも発生する可能性があります. 細孔サイズがミクロン範囲にある場合, 流れは摩擦によって支配されることがよくあります. このような場合, ダルシー則を使用して流れを求解できます. マイクロフルイディクスモジュールは, ダルシー則に基づいた多孔質媒体の流れのための専用インターフェースを備えています. この場合, 流れに垂直なせん断応力は無視されます. 中間流れの場合, ブリンクマン方程式のインターフェースが利用可能です. この界面は, せん断応力が無視できない多孔質媒体を通る流れをモデル化します. 非常に低い流速に適したストークス・ブリンクマン公式と, より高い流速での影響を考慮するために使用される Forchheimer 抗力の両方がサポートされています. マッハ数が0.3未満である限り, 流体は非圧縮性または圧縮性のいずれかになります. この定式化により, ブリンクマン方程式や層流を使用した多孔質媒体を含む, 自由多孔質媒体モデルが可能になります.
これらのインターフェースは, マイクロ流体の多孔質媒体の流れに適しています. 応用例としては, 紙マイクロ流体工学や生物組織内の輸送などが挙げられます.
希薄流は, 分子の平均自由行程が流れの長さスケールと同等になるときに発生します. クヌーセン数 Kn は, 流れに対する希薄化効果の重要性を特徴づけます. 気体がさらに希薄になると (クヌーセン数の高さに対応して), 壁の1つの平均自由行程内に存在するクヌーセン層が流れに重大な影響を及ぼし始めます. 0.01未満のクヌーセン数の場合, 希薄化は無視でき, マイクロフルイディクスモジュールの層流界面はすべりなし境界条件で使用できます. わずかに希薄な気体 (0.01 < Kn < 0.1) の場合, クヌーセン層は領域内の連続体ナビエ・ストークス方程式とともに壁での適切な境界条件によってモデル化できます. この例では, マイクロフルイディクスモジュールで スリップ流れ インターフェースが利用可能です. より高いクヌーセン数をモデル化するには, 分子流モジュール が必要です.
COMSOL 製品の他の製品と同様, マイクロフルイディクスモジュールを COMSOL Multiphysics® に追加すると, 機能がモデリングワークフローに完全に統合され, 他のモジュールで使用できるようになります. たとえば, マイクロフルイディクスモジュールは以下と組み合わせることができます:
シミュレーションのニーズはそれぞれ異なります.
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