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Simulation

Kleinste Volumina der Mikrofluidik realistisch abbilden

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Monika Zwettler

Die multiphysikalischen Funktionen der Simulationsplattform Comsol eignen sich für die Behandlung vieler Effekte im Mikromaßstab, die in der Mikrofluidik zu finden sind.

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In der Mikrofluidik kann sich das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum wesentlich von dem Verhalten makroskopischer Fluide unterscheiden, weil in dieser Größenordnung Effekte dominieren können, welche in der klassischen Strömungslehre oft vernachlässigt werden.
In der Mikrofluidik kann sich das Verhalten von Flüssigkeiten und Gasen auf kleinstem Raum wesentlich von dem Verhalten makroskopischer Fluide unterscheiden, weil in dieser Größenordnung Effekte dominieren können, welche in der klassischen Strömungslehre oft vernachlässigt werden.
(Bild: ©stockphoto-graf - stock.adobe.com)

Die Längenskalen mikrofluidischer Ströme sind in der Größenordnung sehr viel kleiner bemessen als makroskopische Ströme. Die Bearbeitung von Fluiden im Mikromaßstab hat eine Reihe von Vorteilen. In der Regel sind mikrofluidische Systeme kleiner, arbeiten schneller und benötigen weniger Fluid als ihre makroskopischen Entsprechungen. Zudem sind Energieeintrag und Energieabgabe leichter zu steuern, da das Verhältnis der Oberfläche zum Volumen des Systems sehr viel größer ist als in einem makroskopischen System. Wenn die Längenskala der Fluidströmung abnimmt, werden die mit der Oberfläche des Systems skalierenden Eigenschaften wichtiger als solche Eigenschaften, die mit dem Volumen der Strömung skalieren.

Viskose Kräfte dominieren Trägheitskräfte

Dies zeigt sich in der Fluidströmung selbst, da die viskosen Kräfte die Trägheitskräfte dominieren. Die Reynolds-Zahl, die das Verhältnis dieser beiden Kräfte beschreibt, ist in der Regel klein. Daher ist die Strömung meist laminar, in vielen Fällen liegt eine Kriechströmung vor. Laminare und Kriechströmungen machen ein Mischen besonders schwierig, sodass der Massentransport häufig nur über die Diffusion erfolgt. Aber auch in mikrofluidischen Systemen ist Diffusion oft ein langsamer Prozess. Das hat Auswirkungen auf den Transport chemischer Stoffe in mikrofluidischen Systemen.

Für Strömungen im Mikromaßstab

Das Microfluidics Module von Comsol ist speziell für die Behandlung von Impuls-, Wärme- und Massentransport ausgelegt und für Strömungen im Mikromaßstab besonders geeignet.

Das Microfluidics Module enthält benutzerfreundliche Tools zum Analysieren mikrofluidischer Geräte. Simulationen von Chip-Labors (Lab-on-a-Chip-Devices), digitaler Mikrofluidik, elektrokinetischen und magnetokinetischen Geräten sowie Tintenstrahldruckern zählen zu den wichtigsten Anwendungen. Das Microfluidics Module enthält einsatzbereite Benutzeroberflächen und Simulationstools, sogenannte Physikinterfaces, für Einphasenströmungen, Strömungen in porösen Medien, Zweiphasenströmungen und Transportphänomene.

Workflow für das Modellieren

  • 1. Definition der Geometrie in der Software: Dazu kann eine CAD-Datei importiert oder die integrierten Geometrie-Modellierwerkzeuge verwendet werden.
  • 2. Im nächsten Schritt werden die entsprechenden Fluideigenschaften und ein geeignetes Physikinterface ausgewählt. Mithilfe dieses Interface werden Anfangs- und Randbedingungen konfiguriert. Beispielsweise stehen folgende Interfaces zur Verfügung: Massentransport, Einphasenströmung, Zweiphasenströmung, verdünnte Strömung, Gleitströmung, laminare Strömung oder Strömung in porösen Medien durch Darcy- oder Brinkmann-Gleichungen.
  • 3. Anschließend wird das Netz definiert. In vielen Fällen eignet sich das von Comsol automatisch erzeugte Standardnetz (das anhand von physikabhängigen Standardwerten erzeugt wird) für das Problem.
  • 4. Danach erfolgt die Auswahl eines Lösers, wiederum anhand von Standardeinstellungen, die für die entsprechenden physikalischen Phänomene geeignet sind.
  • 5. Anschließend wird das Problem berechnet und die Ergebnisse werden visualisiert.
  • 6. Das Microfluidics Module kann stationäre und zeitabhängige Strömungen in 2D und 3D berechnen. Zur Erweiterung der Modellierfunktionen kann es zudem mit beliebigen anderen Zusatzprodukten gekoppelt werden. Ein Beispiel hierfür ist das Verfolgen von Partikeln im Massenstrom, das durch eine Kopplung mit dem Particle Tracing Module realisierbar ist.

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