微流控芯片微通道的數(shù)值模擬與分析

王一品，廖紅艷，常 備，劉澤宇，鄧亮明，陳稀波

（廣州大學機械與電氣工程學院，廣州 510006）

0 引言

在當今社會中，科學技術發(fā)展越來越趨向于微型化和小型化，使得微流控芯片的應用也越來越廣泛。微流控芯片將現(xiàn)有的反應都集中在微流控芯片上，包括一些化學生物等反應，使得各種反應都可以在微流控芯片上得以發(fā)生反應。微流控芯片已經(jīng)成為很多學科交叉在一起的領域，需要進一步去探索研究[1]。

現(xiàn)在用于醫(yī)學上的生物化學檢測的裝置大多都是采用離心的方式把檢測液體注入儲液池后，采用離心力作用使待測液體流入裝有待測液體的反應池與其發(fā)生反應[2]。本文使用的方法是在沒有離心力的作用下，使檢測液體自發(fā)地流向待檢測液體，使其反應自發(fā)地進行。達到這樣的效果就要選用合適的載體，構(gòu)造合適的微通道才能使檢測液體順利地流向待檢測液體。目前國外的一些專家和學者在很早的時候就開始對微流控芯片上的親水涂層進行研究分析，雖然中國在這個領域的研究人員對這方面的研究有些晚，但還是取得了一些不同的成果[3]。

根據(jù)實驗人員所需要的親水性改性方法選擇合適的方法[4]。本文根據(jù)管道內(nèi)的一些流量計算，計算出最適合反應的微通道。通過對微通道內(nèi)的管道截面尺寸的尺寸計算，可以得到微通道的尺寸對流量的影響；通過對微通道內(nèi)的數(shù)值模擬可以發(fā)現(xiàn)和實驗中存在差別的地方。根據(jù)實驗現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)微通道中液滴的數(shù)值模擬以及液滴在不同表面上的遷移等在不同深度、不同寬度和不同濃度溶液的微通道中，反應也各不相同。

1 微流控芯片模擬

在本文中，可以使用理論計算和分析方法輕松獲得結(jié)果，通過這些結(jié)果的數(shù)值分析能夠總結(jié)出一些特征。但是，計算和分析的理論方法很難找到解決復雜問題（特別是對于非線性問題）的特定解決方案，并且通常只能找到近似解。但是，數(shù)值建模方法可以在理論分析和實驗研究之間找到平衡，從而相互補充，彌補各自的劣勢。例如，實驗測量具有成本限制，并且微通道小且難以測量。通過數(shù)值模擬對微通道的一些微結(jié)構(gòu)進行分析是必要的，因為從中可以發(fā)現(xiàn)一些實驗中所觀察不到的現(xiàn)象。所需的流場可以通過求解數(shù)學模型獲得。為了獲得理論結(jié)果，這是將復雜性和當前工程問題降低為相等的物理和數(shù)學形式的重要建模步驟[5]。

2 微流控芯片模型建立

2.1 模型簡化

本文使用Fluent 模擬計算，因為微流控芯片微通道內(nèi)含有涂層，為了便于計算，對微流控芯片進行簡化，需要從下面幾個步驟進行。

（1）利用Solid Works 建立模型通道三維模型，所以可以對微流控芯片進行劃分網(wǎng)格。但是由于通道還是很大，流量也很大，為了減少運算量，通過Fluent 自建模，采用直接改變接觸面的接觸角，并且設置待檢測液體為水。

（2）設置流體區(qū)域的網(wǎng)格類型為六面體。

（3）使用瞬態(tài)分析和多相流模型來模擬微流體的動力學特性。

（4）設置微流控芯片內(nèi)檢測的液體為水，設置其表面張力為73.5 dyn/cm，水的入口速度設定為8 mm/s，總時間步長為800 000，最大迭代次數(shù)為20。

2.2 參數(shù)設置

參數(shù)設置取決于濕刻的性質(zhì)，通過數(shù)字仿真將有助于簡化微通道的橫截面形狀。微通道分析區(qū)域被結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格分隔開，并且對壁網(wǎng)格進行編碼，以更好地管理邊界層中的通量并使解決方案更加準確[6]。

建立模型數(shù)據(jù)，如圖1 所示。圖1（a）為微流控芯片模型的1/8，然后進行網(wǎng)格劃分；圖1（b）為面網(wǎng)格劃分。然后檢查網(wǎng)格質(zhì)量，對檢查體積進行統(tǒng)計、區(qū)域范圍和連通性等信息。通過對網(wǎng)格進行檢查時，發(fā)現(xiàn)如果體積為負數(shù)，就會出現(xiàn)問題，導致無法進行下去，而且其最小體積若為負數(shù)，則需要重新進行網(wǎng)格劃分。這樣做可以減少解域的非離散。通過檢查后發(fā)現(xiàn)該模型網(wǎng)格數(shù)雖然比較多，但是并未出現(xiàn)負數(shù)。劃分網(wǎng)格后的模型設置如圖2所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

圖2 模型設置

設置相及其相互作用，初級階段和第二階段為水，設計水的表面張力為73.5 dyn/cm，設置中心面的入液池為入口，入口速度為8 mm/s，計算時間為8 s，然后設置接觸角為7°。參數(shù)設置如圖3所示。

圖3 參數(shù)設置

3 微流控芯片的步驟設計與結(jié)果分析

首先，在Workbench 軟件中設計制作幾何模型，并定義網(wǎng)格和邊框樣式。接下來，利用Fluent軟件，從Workbench軟件導入網(wǎng)格模型，并檢查模型問題[8]。選擇一個求解器和中介器，然后選擇一個計算模型。如果需要調(diào)整傳熱、黏度和均勻性的變化，請調(diào)整材料特性和邊界條件。微生物流經(jīng)的介質(zhì)是水，其中溫度恒定值（293 K），其速度p=998.2 kg/m3，勢速μ=1 004×10-3Pa·s。也就是說，是邊界條件，儲液池是壓力出口處。引入正確的范例來控制決策，啟動操場，開始審查決策，審查決策結(jié)果并確保解決方案結(jié)果滿足要求。再次更改網(wǎng)格模型，然后重復上述步驟以重新計算。發(fā)現(xiàn)正六面體比較符合，如果結(jié)果符合要求，將保存計算結(jié)果。

圖4所示為液體流過球閥時的各種狀態(tài)（球閥為1/8微通道中的圓球部分）。從圖中可以觀察到，液體進入球閥是先由管道兩側(cè)再到球閥內(nèi)的圓壁。因為存在親水性的一些作用，液體會優(yōu)先沿著微通道的壁面進行流動。

圖4 液體在球閥中的運動現(xiàn)象

圖5所示為液體進入T型微通道。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，液體全部流過微通道，此通道為T型微通道（T型通道為微流控芯片微通道的轉(zhuǎn)角部分）。液體從下端微通道流入T 型微通道時，如果流速過快，會使得液體直接撞向T 型微通道的壁面，所以要控制液體的流速，使得液體既能流入微通道，又不至于撞向微通道的壁面。

圖5 液體進入T型微通道

微流控芯片微通道的1/8模擬圖如圖6所示；微流控芯片整體結(jié)果仿真圖如圖7所示。可以發(fā)現(xiàn)，在8 s時液體基本都已經(jīng)流入儲液池，而且液體是沿著微通道壁面流動的，和實驗結(jié)果大概吻合。說明制作的親水性微通道能夠改善液體的流速。

圖6 微流控芯片微通道的1/8模擬圖

仿真圖和實驗相比基本符合實驗所達到的結(jié)果，使得芯片達到親水性，通過從中心入液池注入液體，經(jīng)過8 s，液體會迅速流向各個反應池中與反應池中的液體發(fā)生反應。

圖7 微流控芯片整體結(jié)果仿真圖

4 結(jié)束語

本文研究了微通道的數(shù)值模擬。利用注射器測試并提供驅(qū)動力，然后使用控制儲液池、球閥和微通道形成先導系統(tǒng)。仔細進行觀察，其具有微通道部分中流速的不同。在管中通過數(shù)學和邊界條件進行建模，通過模擬運行可以得到結(jié)果。最后，將處理、分析的結(jié)果與實驗結(jié)果相比較，符合實驗結(jié)論。