 |
میکروکانال ستاره ای شکل
معرفی
دستگاه های آزمایشگاه روی تراشه برای تجزیه و تحلیل در زمینه هایی مانند بیوشیمی و مهندسی زیستی بسیار محبوب شده اند. آنها از طریق تکنیک‌های مختلف، تمام تجهیزات درگیر در یک فرآیند شیمیایی مانند راکتورهای شیمیایی، مبدل‌های حرارتی، جداکننده‌ها و میکسرها را ترکیب می‌کنند.
این مثال شامل طراحی یک تزریق کننده است، دستگاهی که یک راکتور یا تجهیزات آنالیز را با مقدار مشخصی مایع تغذیه می کند. کنترل فشار روشی دقیق برای معرفی مقدار مشخصی از سیال با سرعت معین به برخی از تجهیزات است.
شستشوی تجهیزات نیز می تواند مهم باشد. بهینه سازی چنین تزریق کننده برای حداکثر استفاده از آن مستلزم صرف کمترین زمان (و مایعات) برای شستشوی تجهیزات است. مدلسازی این فرآیند در حوزه زمان می‌تواند منجر به بهینه‌سازی فشار تزریق، طراحی میکروکانال و کنترل زمان شود.
این مدل دو ابزار مفید را در مدلسازی COMSOL Multiphysics نشان می‌دهد:
• | توانایی تعریف آسان یک شرط مرزی وابسته به زمان |
• | قابلیت جارو کردن آسان مش ها به صورت سه بعدی برای صرفه جویی در حافظه |
تعریف مدل
این تمرین به طور دلخواه هندسه و شرایط آزمایشگاه میکروکانال را روی یک تراشه تنظیم می کند ( شکل 1 ). فشار دیفرانسیل در پنج ورودی نسبت به فشار خروجی با زمان کنترل می شود به طوری که جریان ورودی از یکی به دیگری به صورت روان عبور می کند. در هر لحظه خاص، یکی از جریان های ورودی غالب است، اگرچه جریان می تواند از بیش از یک ورودی قابل توجه باشد. فشار در خروجی روی صفر تنظیم شده است.
شکل 1: هندسه مدل برای تزریق کننده ستاره شکل با پنج ورودی و یک خروجی. مدل یک دیفرانسیل فشار متغیر را در هر ورودی در حوزه زمان تنظیم می کند به گونه ای که جریان ورودی غالب در بین آنها متناوب باشد.
مثال فقط جریان سیالی را مدل می‌کند که سرعت آن به اندازه‌ای است که رفتار آرام را نشان می‌دهد. این بدان معنی است که شما می توانید یک راه حل عددی از تعادل کامل تکانه و معادلات تداوم برای جریان تراکم ناپذیر با تعداد معقولی از عناصر بدست آورید. معادلاتی که باید حل کنید معادلات ناویر-استوکس در حوزه زمان هستند
که ρ نشان دهنده چگالی (kg/m 3 )، u سرعت (m/s)، μ ویسکوزیته دینامیکی (Pa·s) و p برابر فشار (Pa) است. سیال در این مورد آب است، با مقادیر چگالی و ویسکوزیته مربوطه.
شرایط مرزی ورودی و خروجی یک فشار تنظیم شده را در نظر می گیرد. آنها همچنین تنش چسبناک از بین رفته را فرض می کنند:
فشار در خروجی را روی صفر تنظیم کنید. در ورودی ها از عبارات وابسته به زمان استفاده کنید
جایی که t زمان (s) است. این مثال ساده شده بسته به مرز ورودی، فاز α را روی 0، π /4، π /2، 3 π /4 یا π تنظیم می‌کند.
شرط عدم لغزش را برای تمام مرزهای دیگر اعمال کنید. بیان می کند که سرعت در جهت های x ، y و z در دیوار صفر است:
نتایج
شکل 2 میدان سرعت را به صورت یک برش و فلش ترکیبی از وسط هندسه در t = 0.5 ثانیه نشان می دهد. تنظیم و مشاهده این طرح به عنوان یک انیمیشن، توصیف کیفی آموزنده ای از روند ارائه می دهد.
شکل 2: میدان سرعت در یک میکروکانال تزریق کننده از وسط هندسه.
شکل 3 سرعت در جهت x و فشار در نقطه نزدیک خروجی را به عنوان تابعی از زمان نشان می دهد.
شکل 3: سرعت در جهت x (بالا) و فشار (پایین) در یک نقطه نزدیک به خروجی.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
این مثال نحوه استفاده از شرایط مرزی وابسته به زمان را برای شبیه سازی یک فرآیند در حال تغییر نشان می دهد. شما می توانید این سناریو را با استفاده از یک شرط مرزی که تابع زمان است پیاده سازی کنید. رابط فیزیک دسترسی مستقیم به متغیر زمان داخلی ( t ) و توابع ریاضی مورد نیاز شما را فراهم می کند.
در مدل‌های سه‌بعدی، نتایج روی دیوارها مهم هستند، اما می‌توانند آنچه را که در هندسه رخ می‌دهد پنهان کنند. این مثال همچنین نحوه نمایش بهتر نتایج را با کمک مرزهای پنهان نشان می دهد.
در نهایت، این مدل به مش بندی نزدیک می شود که از تنظیمات پیش فرض منحرف شود. در بیشتر موارد COMSOL Multiphysics به طور خودکار یک شبکه سه بعدی کاملاً از چهار وجهی تولید می کند. در اینجا – مانند بسیاری از میکروکانال ها و کانال های کوچک دیگر – مرزهای بالا و پایین در مدل سازی پروفیل جریان مهم هستند زیرا فاصله بین آنها به اندازه فاصله بین دو طرف است. یعنی باید دستگاه را به صورت سه بعدی مدل کنید. با این حال، از آنجایی که ارتفاع میکروکانال در طول آن تغییر نمی کند، نرم افزار برای حل این بعد به مش بندی زیادی نیاز ندارد.
به عنوان جایگزینی برای مش بندی پیش فرض آن، امکان اکسترود کردن مش وجود دارد. برای نشان دادن این مفهوم، ابتدا با گرفتن یک مقطع از هندسه کامل برای ساخت یک هندسه دو بعدی، مش را در این مدل ایجاد می کنید. پس از مش بندی آن، هندسه را اکسترود کرده و مش را در بعد ارتفاع جارو می کنید. این رویکرد مقداری مش و حفظ حافظه را فراهم می کند.
مسیر کتابخانه برنامه: Microfluidics_Module/Fluid_Flow/star_chip
دستورالعمل مدلسازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Fluid Flow>Single-Phase Flow>Laminar Flow (spf) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، میکرومتر را انتخاب کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی صفحه  کار کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای صفحه کار ، روی نمایش صفحه کار کلیک کنید .  |
صفحه کار 1 (wp1)> هندسه صفحه
در پنجره Model Builder ، روی صفحه هندسه کلیک کنید .
صفحه کار 1 (wp1)> چند ضلعی 1 (pol1)
1 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Polygon کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 | از فهرست منبع داده ، Vectors را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت نوشتار xw ، 325 325 30 0 0 -25 -25 -97 -115 -30 -150 -150 -30 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن yw ، 12.5 25 25 30 150 150 55 125 110 25 25 12.5 12.5 را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)> آینه 1 (mir1)
1 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Transforms کلیک کنید و Mirror را انتخاب کنید . |
2 | فقط شی pol1 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Mirror ، بخش ورودی را پیدا کنید . |
4 | چک باکس Keep input objects را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Point on Line of Reflection را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، 82.5 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن yw ، 12.5 را تایپ کنید . |
7 | قسمت Normal Vector to Line of Reflection را پیدا کنید . در قسمت نوشتار xw ، عدد 0 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن yw ، 1 را تایپ کنید . |
صفحه کار 1 (wp1)> اتحادیه 1 (uni1)
1 | در نوار ابزار Work Plane ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و Union را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Graphics کلیک کنید و سپس Ctrl+A را فشار دهید تا هر دو شی انتخاب شوند. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Union ، بخش Union را پیدا کنید . |
4 | کادر تیک Keep interior borders را پاک کنید . |
اکسترود 1 (ext1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Geometry 1 روی Work Plane 1 (wp1) کلیک راست کرده و Extrude را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Extrude ، بخش Distances را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
فواصل (ΜM) |
25 |
4 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
p0 | 50 [Pa] | 50 Pa | جبران فشار |
p1 | 10 [Pa] | 10 پاس | دامنه فشار |
امگا | pi[rad/s] | 3.1416 راد در ثانیه | سرعت زاویهای |
تی | 0 | 0 | متغیر ساختگی برای مطالعه ثابت |
تعاریف
متغیرهای 1
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  متغیرها کلیک کنید و متغیرهای محلی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
p_in_rm | p0+p1*sin(امگا*t) | فشار، سمت راست ترین ورودی | |
p_in_ir | p0+p1*sin(omega*t+pi/4) | فشار، ورودی سمت راست داخلی | |
p_in_c | p0+p1*sin(omega*t+pi/2) | فشار، ورودی مرکزی | |
p_in_il | p0+p1*sin(omega*t+3*pi/4) | فشار، ورودی سمت چپ داخلی | |
p_in_lm | p0+p1*sin(omega*t+pi) | فشار، سمت چپ ورودی |
مواد
مواد 1 (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
تراکم | rho | 1000 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ویسکوزیته دینامیکی | که در | 1e-3 | پس | پایه ای |
جریان آرام (SPF)
ورودی 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Laminar Flow (spf) کلیک راست کرده و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 1 و 5 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Boundary Condition را پیدا کنید . |
4 | از لیست، فشار را انتخاب کنید . |
5 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . در قسمت متن p 0 ، p_in_c را تایپ کنید . |
ورودی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 7 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Boundary Condition را پیدا کنید . |
4 | از لیست، فشار را انتخاب کنید . |
5 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . در قسمت متن p 0 ، p_in_ir را تایپ کنید . |
ورودی 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 9 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Boundary Condition را پیدا کنید . |
4 | از لیست، فشار را انتخاب کنید . |
5 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . در قسمت متن p 0 ، p_in_il را تایپ کنید . |
ورودی 4
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 14 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Boundary Condition را پیدا کنید . |
4 | از لیست، فشار را انتخاب کنید . |
5 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . در قسمت متن p 0 ، p_in_rm را تایپ کنید . |
ورودی 5
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Inlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 16 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای ورودی ، بخش Boundary Condition را پیدا کنید . |
4 | از لیست، فشار را انتخاب کنید . |
5 | بخش شرایط فشار را پیدا کنید . در قسمت متن p 0 ، p_in_lm را تایپ کنید . |
خروجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Outlet را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 23 و 24 را انتخاب کنید. |
مش 1
اکسترود کردن یک مش دوبعدی به سه بعدی مش ساختار یافته تری نسبت به حالت پیش فرض ایجاد می کند.
جارو 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Swept کلیک کنید .
Swept کلیک کنید .اندازه
1 | در پنجره Model Builder ، روی Size کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت اندازه عنصر را پیدا کنید . |
3 | از فهرست Calibrate for ، Fluid dynamics را انتخاب کنید . |
توزیع 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Swept 1 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی Number of Elements عدد 8 را تایپ کنید . |
4 | فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
5 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
وابسته به زمان
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Study Steps کلیک کنید و Time Dependent> Time Dependent را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن زمان خروجی ، range(0,0.1,4) را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
سرعت (spf)
در مرحله بعد، نمودار را در شکل 2 بازتولید کنید و میدان سرعت را در t = 0.5 ثانیه به صورت یک برش ترکیبی و نمودار فلش نشان دهید.
1 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
2 | از لیست زمان (ها) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
3 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . کادر بررسی لبه های مجموعه داده Plot را پاک کنید . |
این تنظیم یک نمای بدون مانع از برشی که شما مشخص می‌کنید، می‌دهد که شکل تراشه میکروکانال را نشان می‌دهد.
تکه
1 | در پنجره Model Builder ، گره Velocity (spf) را گسترش دهید ، سپس بر روی Slice کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Slice ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، mm/s را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plane Data را پیدا کنید . از لیست Plane ، xy-planes را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Planes ، 1 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار Velocity (spf) ، روی  Plot کلیک کنید . |
فلش جلد 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Velocity (spf) کلیک راست کرده و Arrow Volume را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حجم پیکان ، بخش موقعیت یابی پیکان را پیدا کنید . |
3 | زیربخش نقاط شبکه x را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 35 را تایپ کنید . |
4 | زیربخش نقاط شبکه ای y را پیدا کنید . در قسمت متنی Points عدد 35 را تایپ کنید . |
5 | زیربخش نقاط شبکه z را پیدا کنید . در قسمت متن Points ، 1 را تایپ کنید . |
6 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست طول پیکان ، Normalized را انتخاب کنید . |
7 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 2600 را تایپ کنید . |
8 | در نوار ابزار Velocity (spf) ، روی  Plot کلیک کنید . |
فشار (SPF)
پیش فرض دوم فشار روی دیوارهای خارجی را ترسیم می کند.
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Pressure (spf) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست زمان (ها) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار فشار (spf) ، روی  Plot کلیک کنید . |
برای ایجاد نمودارهای شکل 3 که نشان دهنده سرعت در جهت x و فشار در نقطه نزدیک خروجی است، مراحل زیر را انجام دهید:
Cut Point 3D 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، بر روی  Cut Point 3D کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Cut Point 3D ، بخش Point Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن x ، 275 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن y ، 12.5 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن z ، 12.5 را تایپ کنید . |
سرعت x جهت
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  1D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، سرعت x جهت را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Cut Point 3D 1 را انتخاب کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | روی Velocity x direction کلیک راست کرده و Point Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار نقطه ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Cut Point 3D 1 را انتخاب کنید . |
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)> Laminar Flow> Velocity and Press> Velocity field – m/s>u – velocity field, x-component را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار Velocity x جهت ، روی  Plot کلیک کنید . |
فشار خروجی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Velocity x direction کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، فشار خروجی را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
فشار خروجی
1 | در پنجره Model Builder ، گره فشار خروجی را گسترش دهید ، سپس روی Point Graph 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، فشار خروجی را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Liminar Flow>Velocity and Press>p – Pressure – Pa را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار فشار خروجی ، روی  Plot کلیک کنید . |
