微流体CFD仿真需要用到哪些关键物理模型？
微流体的CFD（计算流体动力学）仿真通常需要运用一系列物理模型来准确描述和模拟微尺度流体流动所涉及的各种复杂现象。以下是一些在微流体CFD仿真中可能用到的关键物理模型： 1. 流体动力学模型 Navier-Stokes方程：作为流体动力学的基础，稳态或瞬态Navier-Stokes方程用于描述流体的速度、压力和密度分布，以及它们随时间和空间的变化。这些偏微分方程反映了质量守恒、动量守恒和能量守恒的基本原理。 2. 层流模型 微流体系统中，由于通道尺寸小、雷诺数低，流动通常呈现层流特性。直接应用Navier-Stokes方程即可模拟层流流动，无需引入额外的湍流模型。 3. 湍流模型 尽管微流体系统以层流为主，但在某些情况下（如高流速、复杂几何结构、流动不稳定等），可能会出现湍流现象。此时，可能需要采用RANS（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，雷诺平均 Navier-Stokes）模型，如Spalart-Allmaras、k-ε、k-ω等，或者LES（Large Eddy Simulation，大涡模拟）等更高级的湍流模型来捕捉湍流效应。不过，对于大多数微流体应用而言，直接使用层流模型已足够。4. 表面张力模型 微流体系统中，表面张力对流动形态、液滴行为和稳定性起着重要作用。CFD仿真中通常会包含表面张力模型，如Continuum Surface Force (CSF)模型、Phase Field模型或者基于Laplace-Young方程的边界条件，来计算和施加表面张力力项。 5. 多相流模型 微流体系统可能涉及气液、液液、固液等多相流动，如液滴生成、破碎、合并、蒸发、浸润、迁移等过程。常用的多相流模型包括VOF（Volume of Fluid）方法、Level Set方法、Mixture模型、Euler-Euler模型等，用于追踪相界面、计算两相间相互作用力以及相变现象。 6. 传热模型 微热管理系统、微反应器等应用中，热传递对流体流动和系统性能至关重要。需要考虑热对流、热传导和热辐射。对流项由Navier-Stokes方程中的能量方程描述；热传导则通过傅里叶定律计算；如果辐射传热不可忽略，可能还需要引入辐射换热模型，如P1近似、DO模型等。 7. 化学反应模型 在微反应器、生物芯片等应用中，化学反应动力学需要被纳入仿真。这包括反应速率方程、物种输运方程以及可能的热效应。有时还需要考虑化学反应对流体物性（如粘度、密度、热导率）的影响。 8. 电磁驱动模型 电渗流（EOF）、磁场驱动流动（如磁流体动力学，MHD）等技术在微流控中有广泛应用。此时需要在CFD中加入电场或磁场模型，计算电磁力对流体的影响，如Lorentz力模型、Maxwell方程组的求解等。 9. 壁面滑移与粗糙度模型 微流道壁面的微观结构或表面性质（如超疏水、超亲水）可能引起壁面滑移现象。仿真中需考虑壁面滑移边界条件或采用专门的滑移长度模型。同时，壁面粗糙度对流动阻力和边界层发展有影响，可能需要使用粗糙壁面模型。 10. 微结构流动模型 对于含有微结构（如微柱阵列、微孔介质、微混合器元件）的微流控芯片，可能需要使用专门的模型来描述微结构对流体流动的增强效应，如Darcy-Brinkman模型、Forchheimer修正等。 综上所述，微流体的CFD仿真可能涉及多种物理模型，具体选择取决于所研究的微流体系统的具体特点、操作条件以及所需解决的问题。这些模型共同协作，力求精确再现微流体环境中复杂的多物理场耦合作用。在实际仿真过程中，应根据实验数据或理论指导选择适用的模型，并进行适当的模型验证与校核。 来源：CFD饭圈
