Microfluidics Module

Einphasenströmung

Die Interfaces Fluid Flow verwenden physikalische Größen wie Druck und Durchflussmenge sowie physikalische Eigenschaften wie Viskosität und Dichte, um ein Strömungsproblem zu definieren. Das Interface Laminar Flow deckt inkompressible und schwach kompressible Strömungen ab. Dieses Interface ermöglicht auch die Simulation von nicht-Newtonschen Fluidströmungen. Ein Interface für Kriechströmungen wird verwendet, wenn die Reynolds-Zahl deutlich kleiner als eins ist. Diese Strömung wird oft als Stokes-Strömung bezeichnet und ist geeignet, wenn viskose Strömungen vorherrschen. Sie ist in der Regel auf mikrofluidische Systeme anwendbar.

Dreiphasenströmung

Das Multiphysik-Interface Laminar Three-Phase Flow, Phase Field wurde entwickelt, um die Grenzflächen zwischen drei nicht mischbaren und inkompressiblen Fluiden zu verfolgen. Die Strömung wird als laminar angenommen, d.h. die Reynolds-Zahl ist niedrig bis moderat und die Dichte der einzelnen Phasen ist konstant. Das Interface löst die Navier-Stokes-Gleichungen für die Erhaltung des Impulses sowie eine Kontinuitätsgleichung für die Erhaltung der Masse. Die Position der Grenzfläche wird verfolgt, indem vier zusätzliche Transportgleichungen gelöst werden, zwei für die Phasenfeldvariablen und zwei für die verallgemeinerten chemischen Potentiale. Die Bewegung der Oberfläche wird durch die Minimierung der freien Energie bestimmt. Ein Interface Ternary Phase Field ist ebenfalls verfügbar, um die Bewegung von Grenzflächen zwischen drei nicht mischbaren Fluiden zu verfolgen, indem zwei Phasenfeldvariablen und zwei verallgemeinerte chemische Potentialvariablen gelöst werden.

Speziestransport

Das Microfluidics Module bietet ein spezialisiertes Interface für den Transport von verdünnten Spezies. Es wird verwendet, um den Transport chemischer Spezies durch Diffusion, Konvektion (bei Kopplung mit der Fluidströmung) und Migration in elektrischen Feldern für Mischungen zu simulieren, in denen eine Komponente - ein Lösungsmittel - im Überschuss vorhanden ist (90 mol% oder mehr). Es wird in der Regel zur Modellierung der Leistung von Mischern verwendet. Für die Modellierung chemischer Reaktionen in mikrofluidischen Systemen kann das Microfluidics Module mit dem Chemical Reaction Engineering Module kombiniert werden, mit dem auch der Transport von konzentrierten Spezies mit binärer Diffusion verfügbar ist.

Elektrokinetische Strömung

Bei der Modellierung des Transports verdünnter Spezies kann die Elektromigration von Ionen in einem statischen elektrischen Feld gemäß der Nernst-Planck-Gleichung berücksichtigt werden. Zu den Anwendungen dieser Funktionalität gehören die elektrophoretische Mobilität und der elektroosmotische Fluss, d.h. der elektrokinetische Fluss. Das Microfluidics Module kann mit dem Chemical Reaction Engineering Module kombiniert werden, um auf die Interfaces Nernst-Planck und Electrophoretic Transport zuzugreifen, die der Modellierung von Elektrolyten gewidmet sind und die Formulierungen der Poisson-Gleichung oder die Elektroneutralitätsbedingung für die Ladungsbilanz enthalten können. Die Kombination von Nernst-Planck- und Poisson-Gleichungen kann für die Modellierung geladener Doppelschichten und elektroosmotischer Flüsse verwendet werden.

Zweiphasenströmung

Im Microfluidics Module stehen drei verschiedene Methoden zur Modellierung von Zweiphasenströmungen zur Verfügung: Level-Set, Phasenfeld und Moving Mesh. Diese werden verwendet, um zwei Fluide zu modellieren, die durch eine sich bewegende Grenzfläche getrennt sind. Dabei wird die Grenzfläche im Detail verfolgt, einschließlich der Oberflächenkrümmung und Oberflächenspannungskräfte. Die Methoden Level-Set und Phasenfeld verwenden ein festes Hintergrundnetz und lösen zusätzliche Gleichungen, um die Position der Grenzfläche zu verfolgen. Bei der Moving-Mesh-Methode wird die Strömungsgleichung auf einem beweglichen Netz gelöst, und die Randbedingungen, die die Fluidgrenzfläche darstellen, werden direkt an der Oberfläche angewendet. In diesem Fall werden zusätzliche Gleichungen für die Verformung des Netzes mithilfe der Arbitrary-Lagrangian-Eulerian- (ALE-) Methode gelöst. Alle diese Methoden und ihre Interfaces unterstützen sowohl kompressible als auch inkompressible laminare Strömungen, bei denen ein oder beide Fluide nicht-Newtonsche Eigenschaften haben können.

Strömung in porösen Medien

Eine Strömung in porösen Medien kann auch in mikroskaligen Geometrien auftreten. Wenn die Porengröße im Mikrometerbereich liegt, ist die Strömung oft reibungsdominiert. In solchen Fällen kann das Darcy-Gesetz zur Lösung der Strömung verwendet werden. Das Microfluidics Module verfügt über ein spezielles Interface für die Strömung in porösen Medien auf der Grundlage des Darcy-Gesetzes. In diesem Fall werden die Schubspannungen senkrecht zur Strömung vernachlässigt. Für intermediäre Strömungen ist ein Interface für die Brinkman-Gleichungen verfügbar. Dieses Interface modelliert die Strömung durch ein poröses Medium, in dem Schubspannungen nicht vernachlässigt werden können. Sowohl die Stokes-Brinkman-Formulierung, die für sehr niedrige Strömungsgeschwindigkeiten geeignet ist, als auch der Forchheimer-Widerstand, der zur Berücksichtigung von Effekten bei höheren Geschwindigkeiten verwendet wird, werden unterstützt. Das Fluid kann entweder inkompressibel oder kompressibel sein, vorausgesetzt, die Mach-Zahl ist kleiner als 0,3. Die Formulierung erlaubt Modelle für freie und poröse Medien, einschließlich poröser Medien, die die Brinkman-Gleichungen oder laminare Strömung verwenden.

Diese Interfaces eignen sich für mikrofluidische Strömungen in porösen Medien. Anwendungsbeispiele sind die papierbasierte Mikrofluidik und der Transport in biologischem Gewebe.

Verdünnte Strömung und Gleitströmung

Eine verdünnte Gasströmung tritt auf, wenn die mittlere freie Weglänge der Moleküle mit der Größenskala der Strömung vergleichbar wird. Die Knudsen-Zahl, Kn, charakterisiert die Bedeutung der Verdünnungseffekte für die Strömung. Je stärker das Gas verdünnt wird (je höher die Knudsen-Zahl ist), desto stärker wirkt sich die Knudsen-Schicht, die sich innerhalb einer mittleren freien Weglänge der Wand befindet, auf die Strömung aus. Für Knudsen-Zahlen unter 0,01 kann die Verdünnung vernachlässigt werden und die Interfaces für laminare Strömung des Microfluidics Modules mit No-Slip-Randbedingungen können verwendet werden. Für leicht verdünnte Gase (0,01 < Kn < 0,1) kann die Knudsen-Schicht durch geeignete Randbedingungen an den Wänden zusammen mit den Kontinuums-Navier-Stokes-Gleichungen im Gebiet modelliert werden. Für diesen Fall ist ein Interface Slip Flow im Microfluidics Module verfügbar. Um höhere Knudsen-Zahlen zu modellieren, ist das Molecular Flow Module erforderlich.