COMSOL浅谈流体聚焦（水力聚焦）
COMSOL浅谈流体聚焦（水力聚焦）
作者：极度喜欢上课
一、引言
在微流控芯片中，样品液的聚焦能尽量避免样品液与微通道壁面的接触，减少样品液污染的可能性以及降低微通道内发生堵塞的风险，对于一些具有细胞（颗粒）筛选功能的微流控芯片来说，预先通过聚焦形成单列细胞（颗粒）流更是必不可少的重要步骤，其中水力聚焦是常用的实现流体聚焦的方式。
基于COMSOL Mutiphysics，本文分别参考程景萌等人于2017年所发表的文章《微流体内基于水力聚焦的单细胞流形成的仿真》[1]，Yogesh M. Patel等人于2020年所发表的文章《An inexpensive microfluidic device for three-dimensional hydrodynamic focusing in imaging flow cytometry》[2]，宋飞飞等人于2020年所发表的文章《基于逆流鞘液的微流控芯片设计及流场分析》[3]做了三组模型，用于分析水力聚焦对流体聚焦的形成效果，希望能给研究相关方向的同学带来一定的启发。
二、《微流体内基于水力聚焦的单细胞流形成的仿真》[1]的基本复现
1.模型的建立
如图1所示，根据参考文献所提供的几何尺寸，建立二维模型。其中主流道样品液入口流速为300微米每秒，两侧鞘液入口流速为600微米每秒。由于参考文献没有明确给定流体的物性参数，因此本节模型中的流体假定为水，密度为1000千克每立方米，粘度为0.001帕秒。依据参考文献给定的条件，样品液中涉及到两种粒子，其物性参数如图2所示。
图2
如图3所示，为第1秒时颗粒在流体运动中的速度图，其中（a）为本节模型所模拟的结果，（b）为参考文献的结果。留意图中红圈的位置，两组结果中主流道最外层粒子的位置都刚好到达流道的直角处，且速度云图反应的速度最大值也基本一致，本节模型所模拟的结果与参考文献的结果保持了较好的一致性。
图3
如图4所示，展示了单列细胞（颗粒）流的形成过程，蓝色为A类粒子，红色为B类粒子，其中（a）为本节模型所模拟的结果，（b）为参考文献的结果。从图中可以看出两组结果均在0.6秒时刻开始形成单列细胞（颗粒）流，本节模型所模拟的结果与参考文献的结果保持了较好的一致性。
图4
为了进一步研究水力聚焦的特性，根据参考文献所给定的条件，本节进一步探讨了三维模型中水力聚焦的情况。如图5所示，展示了单列细胞（颗粒）流的形成过程，蓝色为A类粒子，红色为B类粒子。在三维模型中，由于只有Y轴方向设有鞘液入口，因此模型稳定后，颗粒只在Y轴方向形成了聚焦，而在Z轴方向聚焦效果不理想。
图5
三、参考《An inexpensive microfluidic device for three-dimensional hydrodynamic focusing in imaging flow cytometry》[2]的仿真模拟由于参考文献所给的条件并不齐全，因此本节模型在参考文献所给定的条件的基础上，根据实际的仿真需要做了较多的假设。如图6所示，在参考文献所提供的几何尺寸的基础上，建立三维模型。为了减少计算量，本节模型中流道的长度有所缩短，其余几何尺寸与参考文献一致。流道中的流体材料为水，密度为997.1千克每立方米，动力粘度为8.91e-4帕秒。样品液入口流率Qs假设为5e-11立方米每秒，样品液中有10摩尔每立方米的稀物质，其中稀物质的扩散系数为1e-20平方米每秒。
图6
如图7所示，为不同Qs/Qsh和D/d值下出口处的截面图，其中（a）为本节模型所模拟的结果，（b）为参考文献的结果，（a）图中黑色部分为稀物质浓度大于0.6摩尔每立方米的区域。本节模型的结果所反映出来的规律与参考文献的规律基本一致，随着Qs/Qsh和D/d比值的增大，样品液聚焦区域底部会变宽，上端高度会变小。
图7
四、参考《基于逆流鞘液的微流控芯片设计及流场分析》[3]的仿真模拟由于参考文献所给的条件并不齐全，因此本节模型在参考文献所给定的条件的基础上，根据实际的仿真需要做了较多的假设。如图8所示，在参考文献所提供的几何尺寸的基础上，建立二维模型。因为几何模型是标准的对称模型，为了减少计算量，只需要画出一半的几何结构并采用“对称”边界条件进行仿真。其中样品液采用的是COMSOL的内置材料“C6H6 (benzene) [liquid]”，鞘液采用的是COMSOL的内置材料“Water, liquid”。本节讨论了两侧鞘液入口速度恒为0.01米每秒，右端逆流鞘液入口速度为0.1米每秒，样品液入口速度分别为0.016米每秒、0.02米每秒以及0.024米每秒的三组工况。
图8
如图9所示，展示了样品液入口速度为0.02米每秒、两侧鞘液入口速度为0.01米每秒，右端逆流鞘液入口速度为0.1米每秒工况下样品液的聚焦状态，其中（a）为本节模型所模拟的结果，（b）为参考文献的结果。从图中可以看出，本节模型所得到的样品液的聚焦状态与参考文献用ANSYS仿真所得到结果保持了较好的一致性。在两侧鞘液入口的作用下，样品液在主流道完成了第一次聚焦，在右端逆流鞘液的作用下，样品液在分叉流道完成了第二次聚焦。
图9
如图10所示，给出了不同样品液入口速度时，X坐标等于0处主流道中的速度分布。从图中可以看出，流速形成了抛物线分布，流道中心的速度最大，流道两侧的速度最小，表明主流道中的速度已达到充分发展。
图10
如图11所示，给出了不同样品液入口速度时，X坐标等于0处主流道中样品液的分布。从图中可以看出，样品液的分布也呈抛物线，样品液入口速度越大，主流道样品液的分布就越宽。当样品液的入口速度为0.016米每秒时，主流道样品液宽度约为32微米；当样品液的入口速度为0.02米每秒时，主流道样品液宽度约为36微米；当样品液的入口速度为0.024米每秒时，主流道样品液宽度约为40微米。
图11
基于COMSOL Mutiphysics，本文对程景萌等人于2017年所发表的文章《微流体内基于水力聚焦的单细胞流形成的仿真》[1]进行了基本复现，并根据参考文献所给定的条件建立了三维水力聚焦模型，在三维水力聚焦模型中发现只有在鞘液入口方向上的颗粒能较好的完成聚焦；参考Yogesh M. Patel等人于2020年所发表的文章《An inexpensive microfluidic device for three-dimensional hydrodynamic focusing in imaging flow cytometry》[2]运用稀物质模块，本文建立了一组三维的流动聚焦模型并给出了微流道出口处截面物质分布的情况，其中物质分布随Qs/Qsh和D/d的变化规律与参考文献中的规律基本一致；参考宋飞飞等人于2020年所发表的文章《基于逆流鞘液的微流控芯片设计及流场分析》[3]运用两相流模块建立了一组设有逆流鞘液的水力聚焦模型，逆流鞘液水力聚焦模型所反映的样品液的聚焦规律与参考文中的规律基本一致。（如需获取文中案例可添加本人QQ：2302260349）。[1] [1] 程景萌,张思祥,李新冉等.微流体内基于水力聚焦的单细胞流形成的仿真[J].微纳电子技术,2017,54(03):168-172+180.DOI:10.13250/j.cnki.wndz.2017.03.005.[2] Patel Y M , Jain S , Singh A K ,et al.An inexpensive microfluidic device for three-dimensional hydrodynamic focusing in imaging flow cytometry[J].Biomicrofluidics, 2020, 14(6):064110.DOI:10.1063/5.0033291.[3] 宋飞飞,马玉婷,吴云良等.基于逆流鞘液的微流控芯片设计及流场分析[J].实验室研究与探索,2020,39(04):29-32.
