微流控装置中的多相流仿真

HaHa

如果微流控装置中的气泡被卡住，就会导致装置发生故障。气泡卡住取决于几个因素，包括微通道的几何形状和流动特性，以及通道壁的表面特性。为了研究这些影响因素，Veryst Engineering 公司使用 COMSOL Multiphysics® 软件对微通道中的气泡进行建模。今天这篇文章，我们来看一下他们模拟的结果，它揭示了导致气泡夹带的装置几何形状和接触角的情况。
微流控装置中的气泡夹带研究

气泡夹带是微流控装置中的一个常见问题，因为气泡经常卡在微通道中。这会阻断流体的路径，造成流动的中断，对装置的性能产生不良影响。例如，气泡的存在会导致微通道传感器的读数不正确，或阻碍喷墨打印机中喷射流的形成。不可能总是依靠通过设计来避免或去除气泡，解决方案是防止气泡卡在微流控装置的微通道中。



一个简单的微流控制装置。

可以从微流控装置的设计开始防止气泡夹带。气泡在微通道中的运动受多种因素影响，包括通道的几何形状、壁的表面特性和流体流动特性。为了更好地了解这些方面的影响，研究人员可以利用仿真找到确保气泡成功通过微通道的最佳条件。借助仿真结果，他们可以设计出减少气泡夹带风险的微流控装置。为了研究这些因素的影响，COMSOL 认证顾问 Veryst Engineering 公司用 COMSOL Multiphysics 模拟了一个在微通道中移动的气泡。
在 COMSOL Multiphysics® 中建立气泡夹带模型

为了进行分析，Veryst Engineering 公司使用 COMSOL Multiphysics 的一个附加模块—— CFD 模块中的水平集方法和多相流接口创建了一个模型。他们选择在一个 1mm × 2mm 的微通道中建立一个 0.3mm 的气泡模型，这个微通道中间有轻微的收缩段。气泡的初始位置在通道底部附近，并随着流体流动向上移动。在模拟的前 10 ms，微通道中的平均流体速度从 0 mm/s 升至 50 mm/s。



微通道几何形状中的气泡。图片由Veryst Engineering公司提供。

在模型中，工程师们首先考虑了气泡和周围液体之间的表面张力。他们还考虑了微通道壁的表面特性，例如它们是亲水的、中性的还是疏水的。工程师们假设，除了微通道的受限部分，墙壁与气泡还有一个中性接触角。

请注意，接触角滞后，前进和后退接触角之间的差异，增加了气泡被卡住的可能性。这个影响在模型中没有被考虑进去。

模拟气泡在微通道中的运动

来自 Veryst 的团队随后用两个不同的接触角对气泡进行了模拟。第一个模拟显示气泡与微通道壁的接触角为 22.5º。如下图所示，气泡在收缩的末端附近被卡住。这迫使流体在障碍物周围移动，导致不对称的速度场。



通道壁的接触角为 22.5º 时的气泡。在收缩的末端，气泡被卡住。动画由Veryst Engineering公司提供。

在第二次模拟中，气泡的接触角为 90º。这时，它能顺利地通过收缩段，继续在微通道中移动。



气泡与壁的接触角为90º。气泡成功地通过了收缩段。动画由Veryst Engineering公司提供。

两个模拟中的气泡的平均速度比较如下。当它通过收缩段时，由于通道面积的减少，气泡的速度迅速增加，如 0.05s 和 0.1s 之间
Veryst 的工程师们还将模型预测值与分析估计值进行了比较。结果表明，对于这种简单的通道几何形状和气泡大小，在收缩处的 22.5° 接触角会导致气泡被夹住，而 90° 接触角则不会。
后续工作

在完成这些模拟后，Veryst 的工程师们将这种方法应用于更真实的微通道几何形状。新的模拟结果可以帮助他们对导致气泡夹带的各种几何形状和接触角有更加深入的了解。了解这些因素，可以帮助工程师优化出现气泡夹带的微流控装置的设计。反过来，这又会帮助那些正在使用这些装置的人更加容易地操作。随着气泡夹带次数的减少，微流控装置的性能也就更加可靠了。
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