基于微流控芯片的液滴被动式融合数值仿真研究.pdf

微流控芯片技术是一种在微小芯片上通过微通道网络对流体进行精确控制和操作的技术。这类技术广泛应用于化学、生物等多个领域的实验室功能模拟中，具有微型化、集成化和自动化等优点。微流控芯片技术的基础是微通道，它们能够引导微小体积的流体在芯片上流动。由于微通道的尺寸通常在微米至毫米级别，因此能够对流体行为进行高度控制，并在化学、生物反应中实现快速混合、分离、反应等操作。 COMSOL Multiphysics是一款广泛应用于工程、物理等领域的仿真软件，它能够用于模拟和分析各种物理现象。在微流控芯片研究领域，COMSOL Multiphysics通过其内置的两相流模块，可以帮助研究人员对微流控芯片内液滴的被动式融合过程进行数值模拟。被动式融合指的是液滴在微流控芯片内部通过物理作用力（如界面张力）自发融合的过程，不同于主动融合技术，被动融合不需要额外的外部力场作用。 液滴在微流控芯片内的融合过程分为几个阶段：首先是液滴相遇，接着是液滴接触，随后可能会发生液滴破碎，最后是液滴融合。这些过程都受到微流控芯片内流体流动特性的影响，尤其是油水界面张力的作用。界面张力是两种流体（如油和水）接触时分子间相互吸引力的体现，它会影响液滴的形状和相互作用，从而影响融合过程。 在研究中设计的长棱形扩张通道能够形成流速降低的梯度区域，这样有助于降低液滴间的相对速度，促进液滴相遇和接触，为液滴的融合提供有利条件。研究人员通过数值模拟发现，连续相入口的雷诺数（Reynolds number，代表流体的惯性力与粘性力的比值）和液滴体积是影响液滴融合过程的两个关键因素。在一定范围内，雷诺数的提高可以缩短融合时间，但当超过某个临界值时，过高的液滴速度会使得液滴无法正常融合。同样地，液滴体积也存在一个最佳范围，体积太小或太大都不利于融合过程。 数值模拟是现代工程和科学领域中不可或缺的工具。通过数值模拟，研究人员可以在没有实际物理实验的情况下预测和理解复杂系统的行为。在微流控芯片的研究中，数值模拟帮助研究者设计出更有效的微通道结构，改善实验条件，节省成本，并加速新技术的研发。 总结来说，基于微流控芯片的液滴被动式融合数值仿真研究，是通过COMSOL Multiphysics软件中的层流两相流模型，模拟液滴在微流控芯片内的融合过程，探索液滴融合的机理和影响因素。这一研究对于进一步优化微流控芯片的设计，提高液滴融合效率，以及开发新的微流控芯片应用具有重要的理论和实际意义。