Microfluidics Module

Para Simulações Multifísicas de Dispositivos Microfluídicos

Microfluidics Module

Uma gota de tinta é ejetada por um bocal e viaja através do ar até chegar ao alvo. O modelo pode ser usado para entender a influência das propriedades da tinta e do perfil de pressão no bocal sobre a velocidade da gota, o volume da gota e a presença de gotas satélite.

Simulações Microfluídicas de Uso Geral

O Microfluidics Module traz a você ferramentas fáceis de operar para estudar dispositivos microfluídicos. Aplicações importantes incluem simulações de dispositivos lab-on-a-chip, microfluidos digitais, dispositivos eletrocinéticos e magnetocinéticos, e jatos de tinta. O Microfluidics Module inclui interfaces de usuário prontas para uso e ferramentas de simulação, chamadas de interfaces físicas, para o escoamento monofásico, escoamento em meios porosos, escoamento bifásico e fenômenos de transporte.

Redução de Escala Para Escoamentos em Microescala

Os escoamentos microfluídicos ocorrem em escalas de comprimento com ordens de grandeza menores que os escoamentos macroscópicos. A manipulação de fluidos na microescala traz uma série de vantagens – tipicamente, os sistemas microfluídicos são menores, operam mais rápido e requerem menos fluido que seus equivalentes macroscópicos.

A entrada e a saída de energias também são mais fáceis de controlar (por exemplo, o calor gerado por uma reação química) porque a razão de superfície para o volume do sistema é muito maior que a de um sistema macroscópico. Em geral, conforme a escala de comprimento do escoamento é reduzida, as propriedades que escalonam com a área da superfície do sistema tornam-se comparativamente mais importantes que as propriedades que escalonam com o volume do escoamento.

Isso é evidente no escoamento em si visto que as forças viscosas, que são geradas por cisalhamento sobre as superfícies de isovelocidade, predominam sobre as forças inerciais. O número de Reynolds (Re) que caracteriza a razão dessas duas forças é tipicamente baixo, portanto, o escoamento normalmente é laminar. Em muitos casos, o regime de escoamento de Stokes se aplica (Re « 1). Escoamentos laminares e de Stokes dificultam particularmente a mistura, portanto, o transporte de massa é geralmente limitado pela difusão. Por conseguinte, uma variedade de técnicas é empregada para melhorar a mistura em dispositivos microfluídicos. O Microfluidics Module é concebido especificamente para manusear o momento, o calor e o transporte de massa com considerações especiais para o escoamento na microescala. Isso tem implicações para o transporte químico dentro de sistemas microfluídicos. O Microfluidics Module é concebido especificamente para manusear o momento, o calor e o transporte de massa com considerações especiais para o escoamento na microescala.

Outras imagens:

  • MISTURADOR DE LAMELAS: A imagem ilustra o escoamento em um dispositivo projetado para melhorar a mistura de dois fluidos em um escoamento lamelar. A pressão é ilustrada com um gráfico de contornos nas paredes do misturador, e a amplitude da velocidade é ilustrada nas entradas e saídas do misturador, bem como no ponto onde os dois conjuntos de canais (carregando diferentes fluidos) se encontram um com o outro. Linhas de escoamento (em vermelho) também são representadas. É possível visualizar a concentração de uma espécie difundida inicialmente presente em somente um dos fluidos. Ela é representada ao longo de linhas verticais localizadas cada vez mais abaixo do centro do misturador. MISTURADOR DE LAMELAS: A imagem ilustra o escoamento em um dispositivo projetado para melhorar a mistura de dois fluidos em um escoamento lamelar. A pressão é ilustrada com um gráfico de contornos nas paredes do misturador, e a amplitude da velocidade é ilustrada nas entradas e saídas do misturador, bem como no ponto onde os dois conjuntos de canais (carregando diferentes fluidos) se encontram um com o outro. Linhas de escoamento (em vermelho) também são representadas. É possível visualizar a concentração de uma espécie difundida inicialmente presente em somente um dos fluidos. Ela é representada ao longo de linhas verticais localizadas cada vez mais abaixo do centro do misturador.
  • LENTE DE ELETROMOLHABILIDADE: A figura acima ilustra uma lente líquida com foco variável cujo raio de curvatura pode ser ajustado usando o efeito de eletromolhabilidade. As cores ilustram a amplitude da velocidade do fluido em uma parte menor e preenchida com óleo da lente, ao passo que as setas representam a velocidade no líquido acima da lente de óleo. LENTE DE ELETROMOLHABILIDADE: A figura acima ilustra uma lente líquida com foco variável cujo raio de curvatura pode ser ajustado usando o efeito de eletromolhabilidade. As cores ilustram a amplitude da velocidade do fluido em uma parte menor e preenchida com óleo da lente, ao passo que as setas representam a velocidade no líquido acima da lente de óleo.
  • COMSOL DESKTOP: Um projeto de modelagem completo do início ao fim pode ser feito dentro do COMSOL Desktop®. A visualização mostra um estudo de escoamento monofásico dependente do tempo de um microcanal usado para infundir e nivelar outro equipamento com um fluido. COMSOL DESKTOP: Um projeto de modelagem completo do início ao fim pode ser feito dentro do COMSOL Desktop®. A visualização mostra um estudo de escoamento monofásico dependente do tempo de um microcanal usado para infundir e nivelar outro equipamento com um fluido.
  • BENCHMARK DE UM MISTURADOR DE DIVISÃO E RECOMBINAÇÃO: Este exemplo modela o canal de um misturador de divisão e recombinação no qual um fluido traçador é introduzido e misturado por multilaminação. A difusão é removida do modelo usando um coeficiente de difusão baixo para que qualquer difusão numérica possa ser estudada nas interfaces de laminação. Os resultados se assemelham com a publicação de referência tanto nos padrões de laminação quanto na queda da pressão total ao longo do misturador. BENCHMARK DE UM MISTURADOR DE DIVISÃO E RECOMBINAÇÃO: Este exemplo modela o canal de um misturador de divisão e recombinação no qual um fluido traçador é introduzido e misturado por multilaminação. A difusão é removida do modelo usando um coeficiente de difusão baixo para que qualquer difusão numérica possa ser estudada nas interfaces de laminação. Os resultados se assemelham com a publicação de referência tanto nos padrões de laminação quanto na queda da pressão total ao longo do misturador.
  • ESCOAMENTO BIFÁSICO: Quando várias fases estão presentes, os efeitos da tensão superficial tornam-se importantes com relação à gravidade e à inércia em escalas de comprimento pequenas. A pressão de Laplace (descontinuidade da pressão em uma interface entre dois fluidos), a força capilar e as forças de Marangoni, todas escalonam com a taxa de 1/Comprimento. A figura ilustra a ruptura de gotículas de óleo para produzir uma emulsão à medida que o óleo flui por um canal que conduz um segundo fluido. Linhas de escoamento da velocidade são ilustrados e a velocidade do fluido é representada no plano de simetria. O contorno bifásico é ilustrado em verde. ESCOAMENTO BIFÁSICO: Quando várias fases estão presentes, os efeitos da tensão superficial tornam-se importantes com relação à gravidade e à inércia em escalas de comprimento pequenas. A pressão de Laplace (descontinuidade da pressão em uma interface entre dois fluidos), a força capilar e as forças de Marangoni, todas escalonam com a taxa de 1/Comprimento. A figura ilustra a ruptura de gotículas de óleo para produzir uma emulsão à medida que o óleo flui por um canal que conduz um segundo fluido. Linhas de escoamento da velocidade são ilustrados e a velocidade do fluido é representada no plano de simetria. O contorno bifásico é ilustrado em verde.
  • MISTURADOR ELETROSMÓTICO: Este micromisturador específico tira proveito da eletrosmose para misturar fluidos. Um campo elétrico dependente do tempo é aplicado, e a eletrosmose resultante perturba o escoamento. Uma visualização de linhas de escoamento ilustra a ampla dobradura e estiramento do campo de escoamento. MISTURADOR ELETROSMÓTICO: Este micromisturador específico tira proveito da eletrosmose para misturar fluidos. Um campo elétrico dependente do tempo é aplicado, e a eletrosmose resultante perturba o escoamento. Uma visualização de linhas de escoamento ilustra a ampla dobradura e estiramento do campo de escoamento.

Os recursos multifísicos de uso geral do COMSOL são bastante adequados para lidar com os muitos efeitos em microescala usados em dispositivos microfluídicos. É fácil definir simulações eletrocinéticas e magnetodinâmicas acopladas – incluindo eletroforese, magnetoforese, dieletroforese, eletrosmose e eletromolhabilidade. Além disso, as funcionalidades de difusão química e de reações em espécies diluídas, incluídas no módulo, permitem a simulação de processos que ocorrem em dispositivos lab-on-chip. Para simular escoamentos de gás rarefeito, pode-se utilizar condições de contorno especializadas que ativam a simulação de escoamento no regime de escoamento deslizante (slip flow). O Microfluidics Module também oferece métodos dedicados para simulação do escoamento bifásico com os métodos de nível estabelecido (level-set), campo de fases (phase field) e malha móvel. Para cada um desses, os recursos do Microfluidics Module incluem forças de tensão superficial, capilaridade e efeitos de Marangoni.

Fluxo de Trabalho Para Modelar Dispositivos Microfluídicos

Para modelar um dispositivo microfluídico, você começa definindo a geometria no software importando um arquivo CAD ou pelas ferramentas de modelagem de geometria integradas ao COMSOL Multiphysics. Para importar modelos de geometria, você tem várias escolhas: o CAD Import Module, para importação de modelos CAD mecânicos; o ECAD Import Module para importação de layouts eletrônicos; e os produtos LiveLink para CAD para uma ligação direta bidirecional com modelos criados em um pacote de software CAD dedicado. Na próxima etapa, você seleciona propriedades do fluido adequadas e escolhe uma interface física adequada. As condições iniciais e as condições de contorno são definidas dentro da interface. A seguir, você define a malha. Em muitos casos, a malha padrão criada automaticamente pelo COMSOL, que é produzida a partir de padrões dependentes da física, será adequada para o problema. Um método de resolução (solver) é selecionado, mais uma vez com padrões adequados para a física relevante, e o problema é resolvido. Por fim, você pode visualizar os resultados. Você acessa todas essas etapas a partir do COMSOL Desktop®. O Microfluidics Module pode resolver fluxos estacionários ou dependentes do tempo em 2D e 3D e pode ser acoplado a quaisquer outros produtos complementares para maior extensão dos recursos de modelagem. Um exemplo típico é o rastreamento de partículas liberadas na corrente de escoamento, o que é possível graças à combinação com o Particle Tracing Module.

Escoamento Monofásico

As interfaces de escoamento (Fluid Flow) usam quantidades físicas, como pressão e taxa de escoamento, e propriedades físicas, como viscosidade e densidade, para definir um problema de escoamento. A interface física para o escoamento laminar cobre escoamentos incompressíveis e fracamente compressíveis. A interface Fluid Flow também permite a simulação do escoamento não-newtoniano. Uma interface física para o escoamento tipo "Creeping Flow" é usada quando o número de Reynolds é significativamente menor que 1. Este é geralmente chamado de Escoamento de Stokes e é adequado para quando o escoamento viscoso predomina. Ele é geralmente aplicável a dispositivos microfluídicos.

Escoamento Bifásico

Três métodos diferentes são disponibilizados para o escoamento bifásico: métodos de nível estabelecido (Level-Set), campo de fases (Phase Field) e malha móvel. Eles são usados para modelar dois fluidos separados por uma interface e onde a interface móvel é acompanhada em detalhes, inclusive a curvatura de superfície e as forças de tensão superficial. Os métodos Level-Set e Phase Field usam uma malha de segundo plano fixa e resolvem equações adicionais para acompanhar a localização da interface. O método da malha móvel resolve as equações de escoamento sobre uma malha móvel com condições de contorno para representar a interface entre os fluidos. Neste caso, equações adicionais são resolvidas para a deformação da malha por meio do método Lagrangiano-Euleriano Arbitrário (ALE). Todos esses métodos e suas interfaces físicas suportam escoamentos laminares tanto compressíveis quanto incompressíveis, onde um ou ambos os fluidos podem ser não-newtonianos.

Escoamento Rarefeito

O escoamento de gás rarefeito ocorre quando o caminho livre médio das moléculas torna-se comparável à escala de comprimento do escoamento. O número de Knudsen, Kn, caracteriza a importância dos efeitos de rarefação no escoamento. À medida que o gás se torna rarefeito (o que corresponde ao aumento no número de Knudsen), a camada de Knudsen, que se faz presente dentro do caminho livre medio da parede, começa a exercer um efeito significativo sobre o escoamento. Para números de Knudsen abaixo de 0,01, a rarefação pode ser desprezada e as interfaces físicas de escoamento laminar do Microfluidics Module podem ser usadas com condições de contorno sem deslizamento. Para gases levemente rarefeitos (0,01 < Kn < 0,01), a camada de Knudsen pode ser modelada por condições de contorno adequadas nas paredes junto com equações de Navier-Stikes contínuas no domínio. Neste caso, uma interface física especial para Escoamento de Deslizamento é disponibilizada no Microfluidics Module. Para modelar números de Knudsen mais altos, é necessário o Molecular Flow Module.

Escoamento em Meios Porosos

O escoamento através de meios porosos também pode ocorrer em geometrias de microescala. O escoamento geralmente é dominado pela fricção quando o tamanho dos poros é da ordem de mícrons e a lei de Darcy pode ser usada. O Microfluidics Module inclui uma interface física dedicada ao escoamento em meios porosos com base na lei de Darcy. Neste caso, tensões de cisalhamento perpendiculares ao escoamento são desprezadas. Para escoamentos intermediários, é disponibilizada uma interface física para as equações de Brinkman. Essa interface física modela o escoamento através de um meio poroso onde as tensões de cisalhamento não podem ser desprezadas. Tanto a fórmula de Stokes-Brinkman, adequada para velocidades de escoamento lentíssimas, quanto o arrasto de Forchheimer, que é usado para levar em conta efeitos a velocidades mais altas, são suportados. O fluido pode ser incompressível ou compressível, desde que o número de Mach seja menor que 0,3.

Uma interface física especial para modelos em meios livres e porosos, ambos usando as equações de Brinkman e do escoamento laminar, proporciona automaticamente o acoplamento entre os dois. Essas interfaces são adequadas para o escoamento em meios porosos microfluídicos. Exemplos de aplicações incluem papel microfluídico e transporte em tecido biológico.

Efeitos da Eletrohidrodinâmica

Na microescala, vários efeitos eletrohidrodinâmicos podem ser explorados para influenciar no escoamento. O Microfluidics Module é uma ferramenta excelente para modelar praticamente qualquer efeito. A resistência do campo elétrico para dada tensão elétrica aplicada escalona vantajosamente, facilitando a aplicação de campos relativamente grandes ao fluido com tensões elétricas moderadas. Na eletrosmose, os íons não compensados na camada elétrica dupla (ELD) carregada presente nas superfícies do fluido são movidos por um campo elétrico, induzindo o escoamento. O Microfluidics Module oferece uma condição de contorno especial de velocidade eletrosmótica como uma das várias condições de contorno de parede de fluido. Forças eletroforéticas e dieletroforéticas sobre partículas carregadas ou polarizadas no fluido podem ser usadas para induzir o movimento das partículas, assim como as forças diamagnéticas no caso da magnetoforese. O Particle Tracing Module proporciona forças de partículas eletroforéticas e dieletroforéticas prontas para uso. A combinação do Microfluidics Module com o AC/DC Module permite modelar a dieletroforese de corrente alternada.

A manipulação de ângulos de contato pelos fenômenos de eletromolhabilidade também é fácil em dispositivos em microescala. A eletromolhabilidade é um fenômeno que foi explorado como base para várias novas tecnologias de telas (displays). O Microfluidics Module permite a manipulação direta do ângulo de contato com expressões definidas pelo usuário que incluem parâmetros de tensão elétrica.

Transporte de Massa

O Microfluidics Module oferece uma interface física dedicada para o transporte de espécies diluídas. Ela é usada para simular o transporte de espécies químicas através da difusão, convecção (quando acoplado ao escoamento) e da migração em campos elétricos para misturas onde um componente (um solvente) se faz presente em excesso (90% em mols ou mais). Ela é tipicamente empregada para modelar o desempenho de misturadores. Para modelar reações químicas em dispositivos microfluídicos, você pode combinar o Microfluidics Module com o Chemical Reaction Engineering Module, que também disponibiliza o transporte de espécies concentradas com difusão binária.

Plataforma de Simulação Microfluídica Flexível e Robusta

Para cada uma das interfaces microfluídicas, os princípios físicos são expressos na forma de equações diferenciais parciais, junto com condições iniciais e de contorno correspondentes. O design do COMSOL enfatiza as físicas fornecendo a você as equações resolvidas por cada recurso e oferecendo a você total acesso ao sistema de equações interno. Há também uma enorme flexibilidade para adicionar equações e expressões definidas pelo usuário ao sistema. Por exemplo, para modelar o transporte de uma espécie que afeta significativamente a viscosidade do fluido, basta inserir a viscosidade dependente da concentração – não são necessários scripts nem codificação. Quando o COMSOL compila as equações, os acoplamentos complexos gerados por essas expressões definidas pelo usuário são incluídos automaticamente no sistema de equações. As equações são então resolvidas usando o método dos elementos finitos e uma variedade de poderosos métodos de resolução (solvers). Depois de chegar a uma solução, uma ampla gama de ferramentas de pós-processamento é disponibilizada para analisar os dados, e representações gráficas predefinidas são geradas automaticamente para demonstrar a resposta do dispositivo. O COMSOL oferece flexibilidade para avaliar uma ampla gama de quantidades físicas, incluindo quantidades predefinidas como pressão, velocidade, taxa de cisalhamento ou vorticidade (disponíveis através de menus fáceis de usar), além de expressões arbitrárias definidas pelo usuário.

Interface Com o Excel® e o MATLAB®

Você pode combinar o Microfluidics Module com o Microsoft® Excel® pelo LiveLink for Excel®. Esse produto LiveLink adiciona uma aba e barra de ferramentas especializada do COMSOL ao Excel para controlar os parâmetros, as variáveis e a malha ou para executar uma simulação. Ele também inclui a possibilidade de importar e exportar arquivos do Excel para listas de parâmetros e variáveis no COMSOL Desktop®.

Se você quiser realizar as simulações do COMSOL por meio da programação de scripts, é possível usar o MATLAB® e o COMSOL juntos através da interface fornecida pelo LiveLink for MATLAB®. Com esse LiveLink, você pode acessar toda a funcionalidade do COMSOL Desktop® a partir de uma multiplicidade de comandos do MATLAB. Isso proporciona uma alternativa programática para usar o COMSOL Desktop® para simulações microfluídicas.

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Multiphysics Simulations Enable Development of Fast, Cheap MEMS-Based Bacteria Detector

Droplet Breakup in a T-junction

Electroosmotic Micromixer

Inkjet Nozzle: Level Set

Electrowetting Lens

A Drug Delivery System

Controlled Diffusion Micromixer

Lamella Mixer

Electrokinetic Valve