多次登上NS正刊，越来越火的微流控领域原来都是这样发文章！

非诚勿扰孟非

走近微流控  
微流控是一门涉及化学、流体力学、材料科学和生物医学的新兴交叉学科。微流控技术在生物检测、化学分析和乳液合成等领域都有很好的应用前景。我们能看到目前发表在高档次期刊上的微流控文章许多都在文章中加入了仿真模拟部分，充分发挥仿真模拟的优势能够极大的帮助我们的研究工作。例如以下发表在Nature Communications 和 Nano Letters 上的文章都利用仿真模拟展示了微流通道中的流场分布和通过模拟研究了一些相关因素对流动的影响，一些难以通过实验的到的信息我们都可以通过模拟很好的展示出来。





Nature communications, 2013, 4,1826.




Nano Lett. 2012, 12, 3587.
我们可以看到微流控器件的设计过程中往往涉及到对多个物理过程的理解，包括流体在特定通道内的流场分布、不混溶两相流体的流动的控制、溶质在微流控通道内的输运和扩散、以及流体在电场、光场或声场这类外场作用下的响应，理解这些物理因素的相互作用是设计微流控器件的关键。
另一方面由于微流控芯片的制备往往需要用到微纳加工工艺，使得制备一套微流控设备要花费很多时间和精力。所以在实验上制备微流控器件之前，先通过理论上建模仿真优化设计方案是提高科研效率的必要途径，在论文中增添理论模拟的部分也能提升文章质量，助力冲击高档次期刊。
COMSOL Multiphysics是一款非常灵活易用的有限元模拟软件，能够非常方便地模拟微流体领域的各种物理问题。目前微流控领域以及液滴亲疏水浸润性方面几个热点研究方向我们都能通过 COMSOL Multiphysics 进行仿真模拟。

单相流  
流体流动接口使用压力、流速等物理量以及粘度、密度之类的物理属性来定义流体流动问题。层流物理接口包含不可压缩流和弱可压缩流物理模型。该流体流动接口还可以仿真非牛顿流体。当雷诺数明显小于 1 时，可以使用蠕动流物理接口。这通常称为 Stokes 流，在粘性流动占主导地位时适用。它通常适用于微流体器件。



薄片混合器：图中所示的器件可以增强两种流体在薄片流中的混合效果

两相流  
COMSOL含有三种不同的方法用于两相流仿真：水平集、相场和移动网格。它们用于模拟两种相界面分隔开的流体，并跟踪移动界面变化，包括界面弯曲形变和表面张力。水平集和相场方法使用固定的背景网格，并通过求解附加的方程来跟踪界面位置。移动网格方法求解移动网格上的流动方程，使用内部边界来表示流体相界面。在这种情况下，通过任意拉格朗日欧拉法 (ALE) 求解附加方程来确定网格形变。所有这些方法及其物理接口均支持可压缩和不可压缩层流，且其中一种或两种流体可以为非牛顿流体。



T形状管中两种不混溶液体形成液滴


水在毛细管中上升

  多孔介质流  
微尺度几何结构内也会发生多孔介质流动。当孔隙大小处于微米范围时，流动通常主要受摩擦力影响，因而可以使用 Darcy 定律。微流体模块具有利用 Darcy 定律仿真多孔介质流的专用物理接口。在这种情况下，垂直于流动的剪切应力会被忽略。对于中间流，模块提供了 Brinkman 方程物理接口。该物理接口用于模拟不能忽略剪切应力的多孔介质流。模块同时包含了 Stokes-Brinkman 公式（适用于极低流速）和 Forchheimer 阻力（用于考虑较高速度的影响）。流体可以是不可压缩，或可压缩的（马赫数小于 0.3）。

用于自由和多孔介质流模型的专用物理接口会使用 Brinkman 方程和层流模型分别模拟两种介质内的流动，并自动设定两者之间的耦合。这些接口也适用于多孔介质内的微流体。示例应用包括纸基微流体和生物组织中的传递。


薄片混合器：图中所示的器件可以增强两种流体在薄片流中的混合效果

  电流体力学效应  
在微尺度下，可以利用一系列的电流体力学效应来影响流体流动。微流体模块是用于模拟几乎所有此类效应的优秀工具。对于给定的施加电压，电场强度会随尺度改变而发生相应比例的变化，这样可以更容易地使用适度电压对流体施加相对较大的电场。在电渗中，流体表面的带电双电层 (EDL) 中的未补偿离子会被电场移动，从而引起流体流动。微流体模块提供了一种专用的电渗流速度边界条件，作为一种流体壁边界条件。流体中带电或极化粒子上的电泳力和介电泳力可以用于驱动粒子运动，正如磁电泳中的抗磁力。粒子追踪模块内预定义了电泳和介电泳粒子作用力。微流体模块与 AC/DC 模块结合时，您可以模拟交流介电泳现象。



电渗流引起的物质输运


介电泳分离不同大小的细胞
在微型器件中很容易通过电润湿现象操控接触角。电润湿是许多新型显示技术的基础原理。微流体模块中可以使用包含电压参数的用户定义表达式来直接控制接触角。



模拟电润湿现象操控接触角

  质量传递  
微流体模块提供一个用于仿真稀物质传递的专用物理接口。该接口假设混合物中的一种成分（溶剂）过量存在（90 mol% 或更高），可以仿真这种混合物通过扩散、对流（与流体流动耦合时）和电场迁移等方式进行的化学物质传递。它通常用于模拟混合器的性能。要模拟微流体器件中的化学反应，可以将微流体模块与化学反应工程模块组合，当然，这也可以使用浓物质传递接口进行组合。


可控扩散混合的 H 形微流池，模拟通过扩散从一个流传递到另一个流的物质量。

能应用仿真模拟的微流控研究领域非常多，除了上述例子以外还有以下方面：毛细管设备，化学和生化传感器，介电泳 (DEP)，DNA 芯片，电致粘合，电动流，电渗，电渗，电润湿，乳液，喷墨打印机，芯片实验室，磁泳，微反应器、微泵和微混合器，微流体传感器，稀薄气流（滑动流），静态混合器，表面张力效应，两相流，高分子流体和粘弹性流体，微流控光学，等等。
学会使用模拟能帮助我们优化器件设计，分析和理解各种物理过程，提高科研效率，有助于创造优质科研成果。

COMSOL 全称“COMSOL Multiphysics”是一款功能强大的通用多物理场仿真软件，用于仿真模拟工程、科学研究、数值计算等各个领域的设计、设备及过程。首先COMSOL的功能非常齐全，其功能涵盖了力学、流体、电磁、传热、化工、电化学、声学等各个领域。能够满足不同研究领域科研人员的需求。并且对于不同的物理问题，其软件界面操作和建模方式是完全相同的，大大降低了使用者的学习成本。
在当今的高档次科研论文中我们能够见到许多工作都使用到了仿真模拟来阐述科学问题。一直以来仿真模拟就是一项重要的科研技能，在许多物理和工程类学科（力学，光学，流体力学，电磁学，声学，化工）中发挥着不可替代的作用。许多科研工作的理论分析，结构设计和优化都依靠仿真模拟来完成。近年来随着交叉学科的发展，仿真模拟的需求也不限于上述的学科，在新兴的材料科学，能源科学，生命科学的研究工作中也越来越多的应用到仿真模拟这一工具。另一方面随着友好易用的商用仿真模拟软件COMSOL的出现，仿真模拟不再是一项需要深厚理论基础的高门槛技术。通过COMSOL软件的使用，越来越多的科研工作者可以利用仿真模拟帮助自己的研究工作。
为了让更多科研人员能够迅速且科学地掌握这一前沿高效的数据分析软件，北京中科幻彩动漫科技有限公司举办主题为“科研模拟•学术仿真”的文章档次提升专题培训！！！

您有以下困惑吗？
1. 看到许多顶级期刊都有仿真模拟的部分，想给自己的工作也添加仿真模拟，却不知从何处入手？
2. 一些文献中的公式理论太过复杂，看不懂。
3. 想自学却不知哪里能获得靠谱的学习资料和案例？遇到问题也无人能够解答。
4. 面对自己的科研问题不知如何分析，没有掌握分析问题的要领。
我们来帮您！
1. 适合零基础学员，讲解基础的理论知识，为后续建模打下良好的理论基础。
2. 选择贴合当下科研热点的案例进行讲解，并可针对学员需求调整部分课程内容，达到学以致用。
3. 授人以鱼不如授人以渔，掌握利用案例库资源进行后续深入学习的方法。
4.一对一答疑，针对您的科研问题提供针对性的分析与讲解。

如有需求请联系 李女士17686795308  (微信同号）

原文地址：https://zhuanlan.zhihu.com/p/414321334