王一品，廖红艳，常 备，刘泽宇，邓亮明，陈稀波

（广州大学机械与电气工程学院，广州 510006）

0 引言

在当今社会中，科学技术发展越来越趋向于微型化和小型化，使得微流控芯片的应用也越来越广泛。微流控芯片将现有的反应都集中在微流控芯片上，包括一些化学生物等反应，使得各种反应都可以在微流控芯片上得以发生反应。微流控芯片已经成为很多学科交叉在一起的领域，需要进一步去探索研究[1]。

现在用于医学上的生物化学检测的装置大多都是采用离心的方式把检测液体注入储液池后，采用离心力作用使待测液体流入装有待测液体的反应池与其发生反应[2]。本文使用的方法是在没有离心力的作用下，使检测液体自发地流向待检测液体，使其反应自发地进行。达到这样的效果就要选用合适的载体，构造合适的微通道才能使检测液体顺利地流向待检测液体。目前国外的一些专家和学者在很早的时候就开始对微流控芯片上的亲水涂层进行研究分析，虽然中国在这个领域的研究人员对这方面的研究有些晚，但还是取得了一些不同的成果[3]。

根据实验人员所需要的亲水性改性方法选择合适的方法[4]。本文根据管道内的一些流量计算，计算出最适合反应的微通道。通过对微通道内的管道截面尺寸的尺寸计算，可以得到微通道的尺寸对流量的影响；通过对微通道内的数值模拟可以发现和实验中存在差别的地方。根据实验现象，发现微通道中液滴的数值模拟以及液滴在不同表面上的迁移等在不同深度、不同宽度和不同浓度溶液的微通道中，反应也各不相同。

1 微流控芯片模拟

在本文中，可以使用理论计算和分析方法轻松获得结果，通过这些结果的数值分析能够总结出一些特征。但是，计算和分析的理论方法很难找到解决复杂问题（特别是对于非线性问题）的特定解决方案，并且通常只能找到近似解。但是，数值建模方法可以在理论分析和实验研究之间找到平衡，从而相互补充，弥补各自的劣势。例如，实验测量具有成本限制，并且微通道小且难以测量。通过数值模拟对微通道的一些微结构进行分析是必要的，因为从中可以发现一些实验中所观察不到的现象。所需的流场可以通过求解数学模型获得。为了获得理论结果，这是将复杂性和当前工程问题降低为相等的物理和数学形式的重要建模步骤[5]。

2 微流控芯片模型建立

2.1 模型简化

本文使用Fluent 模拟计算，因为微流控芯片微通道内含有涂层，为了便于计算，对微流控芯片进行简化，需要从下面几个步骤进行。

（1）利用Solid Works 建立模型通道三维模型，所以可以对微流控芯片进行划分网格。但是由于通道还是很大，流量也很大，为了减少运算量，通过Fluent 自建模，采用直接改变接触面的接触角，并且设置待检测液体为水。

（2）设置流体区域的网格类型为六面体。

（3）使用瞬态分析和多相流模型来模拟微流体的动力学特性。

（4）设置微流控芯片内检测的液体为水，设置其表面张力为73.5 dyn/cm，水的入口速度设定为8 mm/s，总时间步长为800 000，最大迭代次数为20。

2.2 参数设置

参数设置取决于湿刻的性质，通过数字仿真将有助于简化微通道的横截面形状。微通道分析区域被结构化网格分隔开，并且对壁网格进行编码，以更好地管理边界层中的通量并使解决方案更加准确[6]。

建立模型数据，如图1 所示。图1（a）为微流控芯片模型的1/8，然后进行网格划分；图1（b）为面网格划分。然后检查网格质量，对检查体积进行统计、区域范围和连通性等信息。通过对网格进行检查时，发现如果体积为负数，就会出现问题，导致无法进行下去，而且其最小体积若为负数，则需要重新进行网格划分。这样做可以减少解域的非离散。通过检查后发现该模型网格数虽然比较多，但是并未出现负数。划分网格后的模型设置如图2所示。

图1 网格划分

图2 模型设置

设置相及其相互作用，初级阶段和第二阶段为水，设计水的表面张力为73.5 dyn/cm，设置中心面的入液池为入口，入口速度为8 mm/s，计算时间为8 s，然后设置接触角为7°。参数设置如图3所示。

图3 参数设置

3 微流控芯片的步骤设计与结果分析

首先，在Workbench 软件中设计制作几何模型，并定义网格和边框样式。接下来，利用Fluent软件，从Workbench软件导入网格模型，并检查模型问题[8]。选择一个求解器和中介器，然后选择一个计算模型。如果需要调整传热、黏度和均匀性的变化，请调整材料特性和边界条件。微生物流经的介质是水，其中温度恒定值（293 K），其速度p=998.2 kg/m3，势速μ=1 004×10-3Pa·s。也就是说，是边界条件，储液池是压力出口处。引入正确的范例来控制决策，启动操场，开始审查决策，审查决策结果并确保解决方案结果满足要求。再次更改网格模型，然后重复上述步骤以重新计算。发现正六面体比较符合，如果结果符合要求，将保存计算结果。

图4所示为液体流过球阀时的各种状态（球阀为1/8微通道中的圆球部分）。从图中可以观察到，液体进入球阀是先由管道两侧再到球阀内的圆壁。因为存在亲水性的一些作用，液体会优先沿着微通道的壁面进行流动。

图4 液体在球阀中的运动现象

图5所示为液体进入T型微通道。从图中可以发现，液体全部流过微通道，此通道为T型微通道（T型通道为微流控芯片微通道的转角部分）。液体从下端微通道流入T 型微通道时，如果流速过快，会使得液体直接撞向T 型微通道的壁面，所以要控制液体的流速，使得液体既能流入微通道，又不至于撞向微通道的壁面。

图5 液体进入T型微通道

微流控芯片微通道的1/8模拟图如图6所示；微流控芯片整体结果仿真图如图7所示。可以发现，在8 s时液体基本都已经流入储液池，而且液体是沿着微通道壁面流动的，和实验结果大概吻合。说明制作的亲水性微通道能够改善液体的流速。

图6 微流控芯片微通道的1/8模拟图

仿真图和实验相比基本符合实验所达到的结果，使得芯片达到亲水性，通过从中心入液池注入液体，经过8 s，液体会迅速流向各个反应池中与反应池中的液体发生反应。

图7 微流控芯片整体结果仿真图

4 结束语

本文研究了微通道的数值模拟。利用注射器测试并提供驱动力，然后使用控制储液池、球阀和微通道形成先导系统。仔细进行观察，其具有微通道部分中流速的不同。在管中通过数学和边界条件进行建模，通过模拟运行可以得到结果。最后，将处理、分析的结果与实验结果相比较，符合实验结论。