Modéliser et simuler des dispositifs microfluidiques

Un modèle de mélangeur statique hélicoïdal montre le champ de vitesse sous forme de lignes de courant.

Décrivez les fluides à l'échelle micrométrique

Les écoulements microfluidiques se produisent sur des échelles de longueur inférieures de plusieurs ordres de grandeur à celles des écoulements macroscopiques. Manipuler des fluides à l'échelle micrométrique a de nombreux avantages; parce qu'ils sont plus petits, les dispositifs microfluidiques opèrent généralement plus rapidement et nécessitent moins de fluide que leurs équivalents macroscopiques.

Les entrées et sorties énergétiques (par exemple, la chaleur générée par une réaction chimique) sont également plus simples à contrôler car le rapport aire-volume est bien plus grand que celui d'un système macroscopique. En général, lorsque le longueur caractéristique de l'écoulement est réduite, les propriétés qui évoluent avec l'aire du système deviennent plus importantes par rapport à celles qui évoluent avec le volume de l'écoulement.

Le module Microfluidics est spécialement conçu pour traiter les transport de la quantité de mouvement, de chaleur et de masse avec des considérations spécifiques aux écoulements à l'échelle micrométrique.

Ce que vous pouvez modéliser avec le module Microfluidics

Effectuez diverses analyses microfluidiques avec le logiciel COMSOL^®.

Une vue rapprochée d'un modèle rectangulaire avec des isovaleurs arc en ciel.

Systèmes lab-on-a-chip

Calculez la distribution de pression au niveau des parois externes et le débit de fluide à travers une plateforme lab-on-a-chip rotative.

Une vue rapprochée d'un modèle de microcanal montrant le champ de vitesse.

Canaux microfluidiques

Infusez et rincez avec un fluide les pièces connectées d'un équipement.

Une vue rapprochée d'un modèle de micropompe montrant le champ de vitesse.

Micropompes

Modélisez des systèmes microfluidiques avec des applications allant de la gestion de fluides biologiques au refroidissement microélectronique.

Une vue rapprochée d'un modèle de micromélangeur montrant la concentration.

Micromélangeurs

Simulez le mélange rapide de différents écoulements de fluides.

Une vue rapprochée d'un modèle de jet d'encre montrant l'amplitude de la vitesse.

Impression jet d'encre

Modélisez l'écoulement dans un jet d'encre pour déterminer le design optimal.

Une vue rapprochée d'un modèle de dispositif d'administration de médicament montrant la concentration.

Administration de médicaments

Décrivez le fonctionnement d'un système d'administration de médicament.

Une vue rapprochée d'un modèle de pile à combustible montrant l'humidité relative.

Piles à combustible

Relevez les défis liés à la conception et la fabrication de piles à combustible à membranes échangeuses de protons (PEM).

Une vue rapprochée d'un modèle de lentille à électro-mouillage montrant l'amplitude du champ de vitesse.

Dispositifs optiques à électro-mouillage

Modifiez l'angle de contact en changeant la tension appliquée au liquide conducteur.

Une vue rapprochée d'un modèle de vanne électrocinétique montrant la concentration.

Vannes électrocinétiques

Analysez des écoulements pilotés en pression et l'électrophorèse dans un dispositif constitué de microcanaux 3D.

Tests de détection

Etudiez les symétries possibles dans la façon dont se propage un échantillon liquide au sein d'une bandelette test.

Caractéristiques et fonctionnalités du module Microfluidics

Les fonctionnalités du module Microfluidics permettent d'aborder de nombreuses problématiques de simulation.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Ecoulement laminaire en surbrillance et un mélangeur statique lamellaire dans la fenêtre graphiques.

Ecoulement monophasique

Les interfaces d'Ecoulement utilisent des quantités physiques, telles que la pression et le débit, ainsi que des propriétés physiques telles que la viscosité et la masse volumique, pour définir un problème d'écoulement. L'interface Ecoulement laminaire couvre les écoulements incompressibles et faiblement compressibles. Cette interface permet également de simuler des écoulements de fluides non newtoniens. Une interface pour les écoulements rampants est utilisée lorsque le nombre de Reynolds est largement inférieur à un. Ceci est souvent décrit comme un Ecoulement de Stokes et est approprié lorsque les forces visqueuses dominent l'écoulement. Cela est généralement applicable dans les dispositifs microfluidiques.

Ecoulement triphasique

L'interface multiphysique Ecoulement triphasique laminaire, champ de phase est dédiée au suivi de l'interface entre trois fluides non miscibles et incompressibles. L'écoulement est supposé laminaire; cela signifie que le nombre de Reynolds est bas ou de valeur modérée, et la masse volumique de chacune des phases est constante. L'interface résout les équations de Navier-Stokes pour la conservation de la quantité de mouvement et l'équation de continuité pour la conservation de la masse. La position de l'interface est décrite par la résolution de quatre équations de transport supplémentaires, deux pour les variables du champ de phase et deux pour les potentiels chimiques généralisés. Le mouvement de l'interface est déterminé par la minimisation de l'énergie libre. Une interface Champ de phase ternaire est également disponible pour suivre le mouvement des interfaces entre trois fluides immiscibles en résolvant deux variables de champ de phase et deux potentiels chimiques généralisés.

Transport d'espèces

Le module Microfluidics fournit une interface dédiée au transport d'espèces diluées. Elle est utilisée pour simuler le transport d'espèces chimiques via la diffusion, convection (lorsqu'elle est couplée à un écoulement), et la migration dans des champs électriques, pour des mélanges dans lesquels un composant — un solvant — est présent en excès (90 mol% ou plus). Cette interface est typiquement utilisée pour modéliser la performance de mélangeurs. Pour modéliser des réactions chimiques dans des dispositifs microfluidiques, le module Microfluidics peut être combiné avec le module Chemical Reaction Engineering, qui rend également disponible le transport d'espèces concentrées avec diffusion binaire.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Propriétés de transport et un modèle de vanne électrocinétique dans la fenêtre graphique.

Ecoulement électrocinétique

Lorsque l'on modélise le transport d'espèces diluées, la migration électrique d'ions dans un champ électrique statique peut être décrite par l'équation de Nernst–Planck. Des applications de cette fonctionnalité incluent la mobilité électrophorétique et les écoulements électroosmotiques, c'est à dire les écoulements résultant d'effets électrocinétiques. Le module Microfluidics peut être combiné avec le module Chemical Reaction Engineering pour avoir accès à l'interface Nernst–Planck ainsi qu'à l'interface Transport électrophorétique, qui sont dédiées à la modélisation d'électrolytes et dans lesquelles on peut trouver les formulations des équations de Poisson ou la condition d'électroneutralité pour le bilan des charges. La combinaison des équations de Nernst–Planck et des équations de Poisson peut être utilisée pour modéliser des doubles couches chargées et des écoulements électroosmotiques.

Ecoulement diphasique

Le module Microfluidics propose trois méthodes différentes pour modéliser des écoulements diphasiques: les méthodes level set, champ de phase et maillage mobile. Celles-ci sont utilisées pour modéliser deux fluides séparés par une interface fluide mobile, où l'interface est suivie en détail, avec la courbure de la surface et les forces de tension de surface. Les méthodes level set et champ de phase utilisent un maillage fixe et résolvent des équations supplémentaires pour suivre la position de l'interface. La méthode de maillage mobile résout les équations du fluide sur un maillage mobile, et des conditions aux limites représentant l'interface du fluide sont directement appliquées à la surface. Dans ce cas, des équations supplémentaires pour la déformation du maillage sont résolues par la méthode Arbitrary Lagrangian–Eulerian (ALE). L'ensemble de ces méthodes et leurs interfaces supportent des écoulements laminaires de fluides compressibles et incompressibles, dans lesquels l'un ou les deux fluides peuvent être non newtoniens.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Equations de Brinkman en surbrillance et un modèle de réacteur poreux dans la fenêtre graphique.

Ecoulement en milieu poreux

Les écoulements en milieu poreux peuvent aussi se produire dans des géométries micrométriques. Lorsque la taille des pores est à l'échelle du micron, l'écoulement est souvent dominé par les frottements; dans ces cas, la loi de Darcy peut être utilisée pour décrire l'écoulement. Le module Microfluidics comprend des interfaces dédiées aux écoulements en milieux poreux basés sur la loi de Darcy. Dans ce cas, les contraintes de cisaillement perpendiculaires à l'écoulement sont négligées. Pour les écoulements intermédiaires, une interface pour les équations de Brinkman est disponible. Cette interface modélise les écoulements dans des milieux poreux dans lesquels les contraintes de cisaillement ne peuvent pas être négligées. Les formulations de Stokes-Brinkman, adaptées à des vitesses d'écoulement très faibles, et de traînée de Forchheimer, pour prendre en compte les effets à des vitesses plus hautes, sont toutes deux disponibles. Le fluide peut être incompressible ou compressible, dans la limite d'un nombre de Mach inférieur à 0.3. La formulation autorise les modèles d'écoulement en milieu libre et poreux, y compris en milieu poreux avec les équations de Brinkman ou les écoulements laminaires.

Ces interfaces sont adaptées aux écoulements microfluidiques en milieux poreux. Des exemples d'applications incluent la microfluidique du papier et le transport dans les tissus biologiques.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Paroi en glissement et un modèle benchmark dans la fenêtre graphique.

Ecoulement raréfié et glissant

Un écoulement de gaz devient raréfié lorsque le libre parcours moyen des molécules devient comparable à la longueur caractéristique de l'écoulement. Le nombre de Knudsen, Kn, caractérise l'importance des effets de raréfaction dans l'écoulement. Le gaz se raréfiant (c'est à dire le nombre de Knudsen devenant élevé), la couche de Knudsen — présente dans l'épaisseur d'un libre parcours moyen depuis la surface — commence à avoir une influence significative sur l'écoulement. Pour des nombres de Knudsen en dessous de 0.01, les effets de raréfaction peuvent être négligés, et les interfaces d'écoulement laminaire du module Microfluidics peuvent être utilisées avec des conditions aux limites de non glissement. Pour des gaz légèrement raréfiés (0.01 < Kn < 0.1), la couche de Knudsen peut être modélisée en utilisant des conditions aux limites adaptées au niveau des parois conjointement aux équations de Navier-Stokes dans le domaine. Dans ce cas, une interface Ecoulement de glissement est disponible dans le module Microfluidics. Pour des nombres de Knudsen plus élevés, le module Molecular Flow est nécessaire.

Une vue rapprochée d'un modèle de dissipateur thermique montrant la température.

De l'eau s'écoulant à travers un modèle de canal rectangulaire comportant une fine bride.

Etendez votre modélisation avec le module Microfluidics

Comme avec les autres produits de la suite logicielle COMSOL, lorsque le module Microfluidics est ajouté à COMSOL Multiphysics^®, les outils et fonctionnalités sont complètement intégrées au processus de modélisation et sont prêtes à être utilisées avec d'autres modules. Par exemple, le module Microfluidics peut être combiné avec:

le module Heat Transfer pour modéliser des effets thermiques dans les écoulements comme la conduction, la convection naturelle et forcée, le chauffage par effet Joule, la thermophorèse et l'effet Marangoni
le module AC/DC pour étudier les effets de la magnétophorèse et la magnétohydrodynamique
le module Structural Mechanics pour réaliser des simulations d'interaction fluide-structure pour des géométries fixes ou se déformant, avec des écoulements monophasiques ou multiphasiques
le module Chemical Reaction Engineering pour modéliser des réactions chimiques et le transport d'espèces concentrées, et pour accéder à des fonctionnalités avancées pour la modélisation du transport d'électrolytes et d'ions avec des champs électriques comme forces motrices

Module Microfluidics

Décrivez les fluides à l'échelle micrométrique