微流控是一門涉及化學、流體力學、材料科學和生物醫學的新興交叉學科。微流控技術在生物檢測、化學分析和乳液合成等領域都有很好的應用前景。微流控器件的設計過程中往往涉及到對多個物理過程的理解,包括流體在特定通道內的流場分佈、不混溶兩相流體的流動的控制、溶質在微流控通道內的輸運和擴散、以及流體在電場、光場或聲場這類外場作用下的響應。理解這些物理因素的相互作用是設計微流控器件的關鍵。另一方面由於微流控晶元的製備往往需要用到微納加工工藝,使得製備一套微流控設備要花費很多時間和精力。所以在實驗上製備微流控器件之前,先通過理論上建模模擬優化設計方案是提高科研效率的必要途徑。COMSOL Multiphysics是一款非常靈活易用的有限元模擬軟體,能夠非常方便的模擬微流體領域的各種物理問題。目前微流控領域以及液滴親疏水浸潤性方面幾個熱點研究方向我們都能通過 COMSOL Multiphysics 進行模擬模擬。
1. 渦流形成和雷諾係數的關係
雷諾係數(Re)的大小代表了流體慣性作用和粘度作用的比例。在微流體通道結構不變的情況下,流體流速增大,雷諾係數相應增大。通過流體力學模擬我們能準確預測在一定雷諾係數下渦流形成的形貌。通過理論模擬能幫助我們設計和優化微流控通道的結構達到預期目的,例如圖中這篇2013年的Nature Communications 就計算了不同雷諾係數下的渦流形成。