[发明专利]一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法

摘要

本发明公开了一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，包括下述步骤：首先对微流控芯片中生物微粒受到的各单一物理场作用进行基于有限单元法的仿真，之后对生物微粒受到的多物理场综合作用进行基于格子玻尔兹曼方法的生物微粒模型的多相流仿真；相对于传统仿真方法难以处理的两相交界面处的形变和追踪问题，本发明采用介观格子玻尔兹曼仿真方法，能很好的反映细胞的形变和运动轨迹追踪；采用介观格子玻尔兹曼仿真方法求解微流控芯片内部流场，不受限于流体连续性假设，能够反映流体流动的本质和细微变化。

主权项

1.一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，包括下述步骤：首先对微流控芯片中生物微粒受到的各单一物理场作用进行基于有限单元法的仿真，之后对生物微粒受到的多物理场综合作用进行基于格子玻尔兹曼方法的生物微粒模型的多相流仿真；该仿真方法具体包括以下三个模块：(1)微流控芯片的实体模型及流体域实体模型建模模块；该模块是完成仿真模拟最基本的模块，主要是建立微流控芯片的实体模型及流体域实体模型，具体步骤如下：S1.1，建立微流控芯片的实体模型；根据微流控芯片的实际尺寸，使用三维实体建模软件UG建立芯片的实体模型，在此过程中需要对芯片的结构进行适当的优化：考虑结构中存在对计算精度有较大影响的尖角，可对尖角进行小尺寸的圆角处理，以便减小尖角在计算中带来的计算误差，同时也减小对流体和生物细胞的流动的影响；S1.2，建立微流控芯片的流体域实体模型；完成S1.1后，使用三维实体建模软件UG中的布尔运算命令，抽取微流控芯片的流体域，并将抽取的流体域模型输出为stp格式文件；(2)基于有限单元法的仿真模块；微流控芯片中生物细胞受到多物理场综合作用，该模块使用基于有限单元法开发的Comsol软件进行仿真，具体步骤如下：S2.1，对流体进行网格划分和设置相应的初始条件，将S1.2得到的微流控芯片流体域模型的stp格式文件导入Comsol软件中进行网格划分，同时添加相应的Comsol软件的仿真模块，所述Comsol软件的仿真模块包括流体分析模块、电场分析模块和粒子流动追踪模块，并设置流体和生物颗粒的流体、介电特性参数；S2.2，在流体分析模块处设置相应的流场边界条件：将入口条件设置为速度入口，以定义流入微流控芯片的流体速度；将出口条件设置为压力出口，以定义出口处的压力；设置微流控芯片的其他边界为反弹边界，进而求解出流场的速度分布；S2.3，在电场分析模块处设置相应的电场边界条件：设置电流的频率为f；将微流控芯片的正电极处定义为高电势，将微流控芯片的负电极处定义为低电势；微流控芯片的其他边界设置为绝缘边界，进而求解出电场的强度分布；S2.4，在粒子追踪模块处设置相应的流场和电场的边界条件：设置流体入口处为粒子释放入口；设置流体出口处为粒子收集出口；设置求解粒子所受到的流场曳力所需的流场速度分布数据，该数据为S2.2.2中求解的流场速度分布数据；设置求解粒子所受到的电场介电泳力所需的电场强度分布数据，该数据为S2.3中求解的电场强度分布数据；最后求解出粒子在微流控芯片中随时间和位置变化的介电泳力数据；S2.5，对粒子所受到的介电泳力数据进行处理；将S2.4中求解的随时间和位置变化的介电泳力数据输出到格式为txt的数据文件中；(3)基于格子玻尔兹曼法的仿真模块；为求解微流控芯片中生物细胞的形变和运动轨迹，该模块使用基于格子玻尔兹曼法开发的Xflow软件进行仿真，具体步骤如下：S3.1，选取仿真模块和设置初始条件；选取流体分析模块为多相流模块，设置其中一个相为具备细胞特性的流体，并控制该相的形状为细胞的圆形形状；之后将S2.5中获得的含有介电泳力数据的txt数据文件作为其中一个初始条件，施加到细胞圆形区域中，Xflow软件随着仿真进行自动读取txt数据文件里面的介电泳力数据，进而设置流体的材料属性；S3.2，设置相应边界条件；设置微流控芯片的流体入口处为速度入口，以定义流入微流控芯片的流体速度；设置微流控芯片的流体出口处为压力出口，以定义出口处流体的压力；设置微流控芯片的其他壁面为反弹边界，进而求解细胞在流动过程中受到的流场和电场共同作用下的形变和运动轨迹。