Microfluidics Module

Flusso monofase

Le interfacce Fluid Flow utilizzano grandezze fisiche, come la pressione e la portata, e proprietà fisiche, come la viscosità e la densità, per definire un problema di fluidodinamica. L'interfaccia Laminar Flow comprende flussi incomprimibili e debolmente comprimibili. Questa interfaccia consente anche la simulazione di fluidi non newtoniani. L'interfaccia per il flusso a scorrimento viene utilizzata quando il numero di Reynolds è significativamente inferiore a uno. Questa interfaccia è spesso chiamata Stokes flow ed è appropriata per l'uso quando il flusso viscoso è dominante. È solitamente applicabile ai dispositivi microfluidici.

Flusso trifase

L'interfaccia multifisica Laminar Three-Phase Flow, Phase Field è progettata per tracciare le interfacce tra tre fluidi immiscibili e incomprimibili. Si assume che il flusso sia laminare, ossia che il numero di Reynolds sia da basso a moderato e che la densità di ciascuna fase sia costante. L'interfaccia risolve le equazioni di Navier-Stokes per la conservazione della quantità di moto e l'equazione di continuità per la conservazione della massa. La posizione dell'interfaccia è tracciata risolvendo quattro equazioni di trasporto aggiuntive, due per le variabili del campo di fase e due per i potenziali chimici generalizzati. Il movimento della superficie è determinato dalla minimizzazione dell'energia libera. È disponibile anche un'interfaccia Ternary Phase Field per tracciare le interfacce in movimento tra tre fluidi immiscibili risolvendo due variabili di campo di fase e due variabili di potenziale chimico generalizzato.

Trasporto di specie

Il Microfluidics Module fornisce un'interfaccia dedicata al trasporto di specie diluite. Viene utilizzato per simulare il trasporto di specie chimiche attraverso la diffusione, la convezione (se accoppiata alla fluidodinamica) e la migrazione in campi elettrici per miscele in cui un componente — un solvente — è presente in eccesso (90 mol% o più). In genere viene impiegato per modellare le prestazioni dei miscelatori. Per la modellazione di reazioni chimiche in dispositivi microfluidici, il Microfluidics Module può essere combinato con il Chemical Reaction Engineering Module, che rende disponibile anche il trasporto di specie concentrate con diffusione binaria.

Flusso elettrocinetico

Quando si modella il trasporto di specie diluite, è possibile includere l'elettromigrazione degli ioni in un campo elettrico statico, secondo l'equazione di Nernst–Planck. Le applicazioni di questa funzionalità includono la mobilità elettroforetica e il flusso elettroosmotico, cioè il flusso elettrocinetico. Il Microfluidics Module può essere combinato con il Chemical Reaction Engineering Module per accedere all'interfaccia Nernst–Planck e all'interfaccia Electrophoretic Transport, che sono dedicate alla modellazione degli elettroliti e possono includere le formulazioni dell'equazione di Poisson o la condizione di elettroneutralità per il bilancio di carica. La combinazione delle equazioni di Nernst–Planck e di Poisson può essere utilizzata per la modellazione dei doppi strati carichi e del flusso elettroosmotico.

Flusso bifase

Nel Microfluidics Module sono disponibili tre diversi metodi per la modellazione del flusso bifase: level set, phase field e moving mesh. Questi metodi sono utilizzati per modellare due fluidi separati da un'interfaccia fluida in movimento, dove l'interfaccia viene tracciata in dettaglio, comprese la curvatura della superficie e le forze di tensione superficiale. I metodi level set e phase field utilizzano una mesh di base fissa e risolvono equazioni aggiuntive per tracciare la posizione dell'interfaccia. Il metodo della moving mesh risolve l'equazione del flusso su una mesh mobile e le condizioni al contorno che rappresentano l'interfaccia del fluido sono applicate direttamente alla superficie. In questo caso, le equazioni aggiuntive sono risolte per la deformazione della mesh mediante il metodo arbitrario lagrangiano-euleriano (ALE). Tutti questi metodi e le loro interfacce supportano flussi laminari sia comprimibili che incomprimibili, in cui uno o entrambi i fluidi possono essere non newtoniani.

Flusso di mezzi porosi

Il flusso dei mezzi porosi può verificarsi anche in geometrie su microscala. Quando la dimensione dei pori è dell'ordine dei micron, il flusso è spesso dominato dall'attrito; in questi casi, la legge di Darcy può essere utilizzata per risolvere il flusso. Il Microfluidics Module dispone di un'interfaccia dedicata al flusso dei mezzi porosi basato sulla legge di Darcy. In questo caso, le sollecitazioni di taglio perpendicolari al flusso sono trascurate. Per i flussi intermedi, è disponibile un'interfaccia per le equazioni di Brinkman. Questa interfaccia modella il flusso attraverso un mezzo poroso in cui le sollecitazioni di taglio non possono essere trascurate. Sono supportate sia la formulazione di Stokes-Brinkman, adatta a velocità di flusso molto basse, sia la resistenza di Forchheimer, utilizzata per tenere conto degli effetti a velocità più elevate. Il fluido può essere incomprimibile o comprimibile, a condizione che il numero di Mach sia inferiore a 0,3. La formulazione consente di tenere conto degli effetti del fluido libero e poroso. La formulazione consente modelli di mezzi liberi e porosi, compresi i mezzi porosi che utilizzano le equazioni di Brinkman o il flusso laminare.

Queste interfacce sono appropriate per il flusso di mezzi porosi microfluidici. Esempi di applicazioni sono la microfluidica della carta e il trasporto nei tessuti biologici.

Flusso rarefatto e di scorrimento

Il flusso di gas rarefatto si verifica quando il libero cammino medio delle molecole diventa paragonabile alla scala di lunghezza del flusso. Il numero di Knudsen, Kn, caratterizza l'importanza degli effetti di rarefazione sul flusso. Man mano che il gas diventa più rarefatto (ovvero il numero di Knudsen diventa più elevato), lo strato di Knudsen - che è presente all'interno di un libero cammino medio della parete - inizia ad avere un effetto significativo sul flusso. Per numeri di Knudsen inferiori a 0,01, la rarefazione può essere trascurata e le interfacce di flusso laminare del Microfluidics Module possono essere utilizzate con condizioni al contorno nonslip. Per i gas leggermente rarefatti (0,01 < Kn < 0,1), lo strato di Knudsen può essere modellato con condizioni al contorno appropriate alle pareti e con le equazioni di Navier-Stokes continue nel dominio. In questo caso, nel Microfluidics Module è disponibile l'interfaccia Slip Flow. Per modellare numeri di Knudsen più elevati, è necessario il Molecular Flow Module.