Microfluidics Module

Pour la Simulation Multiphysique de Dispositifs Microfluidiques

Microfluidics Module

Une gouttelette d'encre est injectée dans l'air par une buse jusqu'à sa cible. Ce modèle sert à comprendre l'effet des propriétés de l'encre et le profil de pression au niveau de la buse sur la vitesse de la gouttelette, son volume et la présence de gouttes satellites.

Simulations Microfluidiques à Usage Général

Le Microfluidics Module offre des outils simples pour étudier des dispositifs microfluidiques. Les applications majeures possibles sont les suivantes : dispositifs de laboratoire sur puce, microfluidique numérique, dispositifs électrocinétiques, magnétocinétiques et à jet d'encre. Le Microfluidics Module propose des interfaces utilisateur prêtes à l'emploi et des outils de simulation que l'on appelle « interfaces physique » pour l'écoulement monophasique, l'écoulement en milieu poreux, l'écoulement diphasique et les phénomènes de transport.

Ecoulements à Micro-échelle

Les écoulements microfluidiques se produisent souvent à des échelles inférieures à celles des écoulements macroscopiques. La manipulation de fluides à micro-échelle présente plusieurs avantages : généralement les systèmes microfluidiques sont plus petits, s'actionnent plus rapidement et nécessitent moins de liquides que leurs équivalents macroscopiques.

Les intrants et extrants d'énergie sont également plus faciles à contrôler (par exemple, la chaleur générée dans une réaction chimique) car le rapport surface sur volume du système est beaucoup plus important que pour un système macroscopique. De manière générale, comme l'échelle de longueur de l'écoulement est réduite, les propriétés qui dépendent de la surface du système deviennent comparativement plus importantes que celles proportionnelles au volume de l'écoulement.

Ceci est visible dans l'écoulement lui-même, à mesure que les forces visqueuses, produites par le cisaillement sur les surfaces de même vitesse, prennent le dessus sur les forces d'inertie. Le nombre de Reynolds, noté Re, qui caractérise le rapport de ces deux forces, est ici théoriquement bas, d'où un écoulement habituellement laminaire. Dans de nombreux cas, le régime d'écoulement rampant (Stokes) s'applique (Re < 1). Les écoulements laminaires et rampants compliquent cependant le processus de mélange. D'autant que la diffusion, souvent limitante pour le transport de masse, est elle-même souvent basse dans ces applications. Cela a des répercussions sur le transport d'espèces dans les systèmes microfluidiques. Par conséquent, diverses techniques sont employées pour optimiser le mélange dans les dispositifs microfluidiques. Le Microfluidics Module est spécifiquement conçu pour justement gérer la quantité de mouvement, la chaleur et le transport de masse avec les considérations particulières en matière d'écoulement à micro-échelle.

Images Supplémentaires

  • MELANGEUR LAMINAIRE: La figure présente l'écoulement dans un dispositif conçu pour améliorer le mélange de deux&nbsp;fluides dans un écoulement laminaire. Les contours de pression sont représentés sur les parois du mélangeur, et l'amplitude de la vitesse est indiquée aux entrées et sorties du mélangeur ainsi qu'au point où les deux ensembles de canaux (transportant différents liquides) convergent. Les lignes de courant (en rouge) sont également tracées. L'encadré indique la concentration des espèces diffusantes présentes dans un seul des liquides. Elle est tracée le long des lignes verticales de plus en plus proches du centre du mélangeur. MELANGEUR LAMINAIRE: La figure présente l'écoulement dans un dispositif conçu pour améliorer le mélange de deux fluides dans un écoulement laminaire. Les contours de pression sont représentés sur les parois du mélangeur, et l'amplitude de la vitesse est indiquée aux entrées et sorties du mélangeur ainsi qu'au point où les deux ensembles de canaux (transportant différents liquides) convergent. Les lignes de courant (en rouge) sont également tracées. L'encadré indique la concentration des espèces diffusantes présentes dans un seul des liquides. Elle est tracée le long des lignes verticales de plus en plus proches du centre du mélangeur.
  • LENTILLE D'ELECTROMOUILLAGE La figure ci-dessus présente une lentille focale liquide réglable dont le rayon de courbure peut être ajusté à l'aide de l'effet d'électromouillage. Les couleurs indiquent l'amplitude de la vitesse du fluide dans la partie basse et remplie d'huile de la lentille alors que le tracé des flèches représente la vitesse du liquide au-dessus de la lentille d'huile. LENTILLE D'ELECTROMOUILLAGE La figure ci-dessus présente une lentille focale liquide réglable dont le rayon de courbure peut être ajusté à l'aide de l'effet d'électromouillage. Les couleurs indiquent l'amplitude de la vitesse du fluide dans la partie basse et remplie d'huile de la lentille alors que le tracé des flèches représente la vitesse du liquide au-dessus de la lentille d'huile.
  • BANC D'ESSAI D'UN MELANGEUR A DIVISION ET RECOMBINAISON : Cet exemplesimule un canal de mélangeur à division et recombinaison dans lequel un liquide de traçage est introduit et mélangé par multicouches laminaires. La diffusion est quasi-inexistante du fait d'un coefficient de diffusion extrêmement bas. la diffusion numérique peut alors être analysée dans les interfaces entre couche laminaire. Les résultats sont favorablement comparés à la publication de référence pour les caractéristiques du laminage et la chute de pression totale du mélangeur. BANC D'ESSAI D'UN MELANGEUR A DIVISION ET RECOMBINAISON : Cet exemplesimule un canal de mélangeur à division et recombinaison dans lequel un liquide de traçage est introduit et mélangé par multicouches laminaires. La diffusion est quasi-inexistante du fait d'un coefficient de diffusion extrêmement bas. la diffusion numérique peut alors être analysée dans les interfaces entre couche laminaire. Les résultats sont favorablement comparés à la publication de référence pour les caractéristiques du laminage et la chute de pression totale du mélangeur.
  • ECOULEMENT DIPHASIQUE&nbsp;: Lorsque plusieurs phases sont présentes, les effets de tension de surface deviennent importants par rapport à la gravité et aux effets d'inertie à des échelles plus petites. La pression de Laplace (saut de pression à la traversée de l'interface entre deux fluides), la force capillaire et les forces de Marangoni sont inversement proportionnelles à la Longueur (caractéristique du dispositif). La figure ci-dessous montre la formation de gouttelettes d'huile, à partir d'un écoulement d'huile entrant en contact avec un second liquide immiscible, ce qui conduit à une émulsion. Les lignes de courant sont représentées, et la vitesse des liquides est tracée sur le plan de symétrie. L'interface entre les deux fluides est indiquée en vert. ECOULEMENT DIPHASIQUE : Lorsque plusieurs phases sont présentes, les effets de tension de surface deviennent importants par rapport à la gravité et aux effets d'inertie à des échelles plus petites. La pression de Laplace (saut de pression à la traversée de l'interface entre deux fluides), la force capillaire et les forces de Marangoni sont inversement proportionnelles à la Longueur (caractéristique du dispositif). La figure ci-dessous montre la formation de gouttelettes d'huile, à partir d'un écoulement d'huile entrant en contact avec un second liquide immiscible, ce qui conduit à une émulsion. Les lignes de courant sont représentées, et la vitesse des liquides est tracée sur le plan de symétrie. L'interface entre les deux fluides est indiquée en vert.
  • COMSOL DESKTOP&nbsp;: Un projet de simulation est réalisé à l'aide du COMSOL Desktop&reg;. La visualisation présente l'étude d'un écoulement monophasique dépendant du temps relative à un microcanal utilisé pour infuser et vidanger un autre composant à l'aide d'un liquide. COMSOL DESKTOP : Un projet de simulation est réalisé à l'aide du COMSOL Desktop®. La visualisation présente l'étude d'un écoulement monophasique dépendant du temps relative à un microcanal utilisé pour infuser et vidanger un autre composant à l'aide d'un liquide.
  • MELANGEUR ELECTRO-OSMOTIQUE&nbsp;: Ce micro-mélangeur recourt à l'électro-osmose pour mélanger des liquides. Un champ électrique dépendant du temps est appliqué. L'électro-osmose obtenue perturbe l'écoulement. Une visualisation des lignes de courant montre que l'écoulement se replie et s'étire. MELANGEUR ELECTRO-OSMOTIQUE : Ce micro-mélangeur recourt à l'électro-osmose pour mélanger des liquides. Un champ électrique dépendant du temps est appliqué. L'électro-osmose obtenue perturbe l'écoulement. Une visualisation des lignes de courant montre que l'écoulement se replie et s'étire.

Les fonctionnalités générales de COMSOL sont particulièrement bien adaptées à la simulation d'effets microscopiques intervenant dans les dispositifs microfluidiques. Il est très facile de coupler des simulations électrocinétiques et magnétodynamiques, notamment l'électrophorèse, la magnétophorèse, la diélectrophorèse, l'électro-osmose et l'électromouillage. En outre, les fonctionnalités de diffusion et de réactions chimiques pour les espèces diluées intégrées au module vous permettent de simuler les processus générés dans des dispositifs de laboratoire sur puce. Pour la simulation d'écoulements de gaz raréfiés, vous pouvez utiliser les conditions aux limites spécialisées pour la simulation d'écoulement de glissement. Le Microfluidics Module propose également des méthodes spécifiques pour la simulation d'écoulements diphasiques, à savoir : les méthodes level set, phase field et de maillage mobile. Pour chacune de ces méthodes, le Microfluidics Module inclut les forces de tension de surface, les forces capillaires et les effets Marangoni.

Méthode de Travail pour Simuler des Dispositifs Microfluidiques

Pour simuler un dispositif microfluidique, il convient de définir d'abord la géométrie dans le logiciel en important un fichier CAO ou en utilisant les outils de construction géométrique intégrés à COMSOL Multiphysics. Pour importer des géoémtries, plusieurs choix s'offrent à vous : le CAD Import Module, pour l'import de modèles CAO ; le ECAD Import Module pour l'import de plans électroniques ; et les produits LiveLink pour interagir avec le modèle CAO. A l'étape suivante, il convient de sélectionner les propriétés des fluides et de choisir une interface physique appropriée. Les conditions initiales et aux limites se configurent dans l'interface. Ensuite, il faut construire le maillage. Dans de nombreux cas, le maillage par défaut automatiquement créé par COMSOL suffit. Un solveur est sélectionné, toujours d'après les choix par défaut adaptées à la physique en question, et le problème est résolu. A l'issue des calculs, vous pouvez visualiser les résultats. Vous accédez à ces opérations depuis COMSOL Desktop®. Le Microfluidics Module peut résoudre des écoulements stationnaires et dépendant du temps en 2D et en 3D. Il peut être associé à n'importe quel autre module afin de bénéficier de fonctionnalités supplémentaires. Par exemple, pour suivre des particules libérées dans les lignes de courant, vous pouvez l'associer au Particle Tracing Module.

Ecoulements Monophasiques

Pour définir un modèle d'écoulement, les interfaces Ecoulement utilisent des grandeurs physiques associées au fluide telles que la pression, la vitesse et des propriétés physiques comme la viscosité et la densité. Les interfaces pour l'écoulement laminaire incluent les écoulements incompressibles et faiblement compressibles. L'interface Ecoulement permet également de simuler un écoulement non-newtonien. Une interface physique pour l'écoulement rampant est disponible lorsque le nombre de Reynolds est nettement inférieur à 1. C'est ce que l'on appelle l'écoulement de Stokes. Il se prête aux situations où l'écoulement visqueux est dominant. Il s'applique habituellement aux dispositifs microfluidiques.

Ecoulements Diphasiques

Trois méthodes différentes permettent de simuler l'écoulement diphasique : level set, phase field et maillage mobile. Elles sont utilisées pour modéliser deux fluides séparés par une interface liquide où l'interface libre est suivie en détail, y compris la courbure de surface et les forces de tension de surface. Les méthodes level set et phase field reposent sur un maillage fixe et résolvent des équations supplémentaires pour suivre la position de l'interface. La méthode de maillage mobiel résout les équations d'écoulement dans un maillage mobile avec des conditions aux limites pour représenter l'interface liquide. Dans ce cas, d'autres équations sont résolues pour la déformation du maillage au moyen de l'approche arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE). Toutes ces méthodes et leurs interfaces physiques résolvent les écoulements laminaires compressibles et incompressibles, où l'un ou les deux fluides peuvent être non-newtoniens.

Ecoulement Raréfié

L'écoulement de gaz raréfié se produit lorsque le libre parcours moyen des molécules devient comparable à l'échelle de longueur de l'écoulement. Le nombre de Knudsen, noté Kn, caractérise l'importance des effets de raréfaction sur l'écoulement. A mesure que le gaz se raréfie (ce qui correspond à l'augmentation du nombre de Knudsen), la couche de Knudsen, présente dans un libre parcours moyen de la paroi, commence à avoir un effet notable sur l'écoulement. Pour les nombres de Knudsen inférieurs à 0,01, la raréfaction est négligeable. Les interfaces physique d'écoulement laminaire du Microfluidics Module peuvent être utilisées avec des conditions aux limites de non-glissement. Pour les gaz légèrement raréfiés (0,01<Kn<0,1), la couche de Knudsen peut être modélisée par des conditions aux limites appropriées sur les parois, toujours avec les équations de Navier-Stockes dans le domaine. Dans ce cas, une interface physique Ecoulement de Glissement pour l'écoulement de glissement est disponible dans le Microfluidics Module. Pour modéliser des nombres de Knudsen plus élevés, le Molecular Flow Module est nécessaire.

Ecoulement en Milieu Poreux

L'écoulement en milieu poreux peut également se produire dans des géométries micrométriques. L'écoulement subit souvent des forces de frottement lorsque la taille de pores est de l'ordre du micron et que la loi de Darcy peut s'appliquer. Le Microfluidics Module propose une interface physique dédiée aux écoulements en milieu poreux auxquels s'applique la loi de Darcy. Dans ce cas, les contraintes de cisaillement perpendiculaires à l'écoulement sont négligeables. Pour des écoulements intermédiaires, une interface physique conçue pour les équations de Brinkman est disponible. Cette interface permet de simuler l'écoulement en milieu poreux lorsque les contraintes de cisaillement ne sont pas négligeables. Les lois de Stockes et de Brinkman qui s'appliquent pour de très faibles vitesses d'écoulement et la force de trainée de Forcheimer utilisé pour représenter les effets à des vitesse plus élevées, sont disponibles. Le liquide peut être incompressible ou compressible à condition que le nombre de Mach soit inférieur à 0,3.

Une interface physique conçue pour les écoulements en milieux poreux et non poreux, simule les écoulements dans les deux milieux à l'aide d'équations de Brinkman et de Navier-Stokes et propose automatiquement le couplage entre les deux. Ces interfaces conviennent parfaitement aux écoulements en milieu poreux microfluidique. Parmi les exemples d'applications, citons la microfluidique pour les applications papier et le transport dans les tissus biologiques.

Effets de l'Electrohydrodynamique

A micro-échelle, plusieurs effets électrohydrodynamiques peuvent être appliqués pour modifier l'écoulement. Le Microfluidics Module est un excellent outil pour modéliser ce type d'effet. La force du champ électrique pour une tension appliquée donnée est appliquée de façon relative, après mise à l'échelle, ce qui facilite l'application de champs relativement importants dans le liquide avec des tensions électriques modérées. Dans l'électro-osmose, les ions non compensés de la double couche électrique (EDL) présente à la surface des liquides sont déplacés par un champ électrique, ce qui produit un débit net. Parmi les conditions aux limites de parois liquides, le Microfluidics Module propose une condition aux limites de vitesse électro-osmotique. Les forces électrophorétiques et diélectrophorétiques sur les particules chargées et polarisées du liquide peuvent être appliquées pour induire un mouvement des particules, tout comme peuvent l'être les forces diamagnétiques dans le cas de la magnétophorèse. Le Particle Tracing Module propose un ensemble prédéfini de forces électrophorétiques et diélectrophorétiques à appliquer aux particules. En associant le Microfluidics Module au AC/DC Module, vous pouvez simuler la diélectrophorèse à courant alternatif.

La modification des angles de contact par le phénomène d'électromouillage est également simple dans des dispositifs micrométriques. L'électromouillage est un phénomène qui a été utilisé comme base de diverses technologies d'affichage. Le Microfluidics Module permet de modifier directement l'angle de contact au moyen d'expressions définies par l'utilisateur, incluant notamment les paramètres de tension électrique.

Transport de Masse

Le Microfluidics Module offre une interface de physique dédiée au transport d'espèces diluées. Elle permet de simuler le transport d'espèces chimiques par diffusion, convection (en cas de couplage avec un écoulement) et migration dans des champs électriques pour les mélanges composés d'un solvant présent en excès (90 mol% ou plus). Elle sert en principe à modéliser les performances des mélangeurs. Pour modéliser des réactions chimiques dans des dispositifs microfluidiques, vous pouvez associer le Microfluidics Module au Chemical Reaction Engineering Module afin de simuler le transport d'espèces concentrées par diffusion binaire.

Une Plate-forme de Simulation en Microfluidique

Pour chacune des interfaces Microfluidics, les principes physiques sous-jacents sont exprimés sous forme d'équations aux dérivées partielles, de conditions initiales et aux limites. COMSOL met l'accent sur la physique et vous offre un accès complet au système d'équations. Vous avez également la possibilité d'ajouter au système des équations et des expressions définies par l’utilisateur. Par exemple, pour modéliser le transport d'une espèce qui modifie considérablement la viscosité d'un fluide, il suffit de saisir la viscosité dépendante de la concentration, sans script ni code. Lorsque COMSOL compile les équations, les couplages complexes générés par ces expressions définies par l’utilisateur sont automatiquement intégrés au système d'équations. Les équations sont ensuite résolues par la méthode des éléments finis et à l'aide de nombreux solveurs très efficaces. Une fois la solution obtenue, une vaste gamme d'outils de post-traitement est disponible pour analyser les données. Des graphiques prédéfinis sont automatiquement générés pour représenter la réponse du dispositif. L'utilisation de COMSOL est souple puisqu'il permet d'évaluer de multiples quantités physiques, y compris des quantités prédéfinies telles que la pression, la vitesse, le taux de cisaillement ou la vorticité (disponible par le biais de menus faciles à utiliser) et des expressions arbitraires définies par l'utilisateur.

Interface avec Excel® et MATLAB®

Vous pouvez associer le Microfluidics Module à Microsoft® Excel® via LiveLink for Excel®. Le produit LiveLink ajoute un onglet COMSOL et une barre d'outils spéciale sur le ruban Excel qui permet de définir les paramètres, les variables et le maillage ou de lancer une simulation. Vous pouvez également importer et exporter des fichiers Excel pour les listes de paramètres et de variables dans COMSOL Desktop®.

Pour lancer des simulations COMSOL au moyen d'un script, vous pouvez utiliser MATLAB® et COMSOL depuis l'interface fournie par LiveLink for MATLAB®. Grâce au LiveLink, vous pouvez accéder à toutes les fonctionnalités du COMSOL Desktop® à partir d'une multitude de commandes MATLAB. Vous bénéficiez d'une option de programmation si vous ne souhaitez pas utiliser COMSOL Desktop® pour vos simulations microfluidiques.

Multiphysics Simulations Enable Development of Fast, Cheap MEMS-Based Bacteria Detector

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Droplet Breakup in a T-junction

Electrokinetic Valve

Inkjet Nozzle: Level Set

Electroosmotic Micromixer

Filling of a Capillary Channel: Level Set and Phase Field Models

Controlled Diffusion Micromixer

A Drug Delivery System

Electrowetting Lens

Lamella Mixer