[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

说明书

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。

技术领域

本发明涉及微全分析系统技术领域，具体涉及一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法。

背景技术

随着微机电系统技术(MEMS，Micro Electro-mechanical System)的发展，微流控芯片技术得到了人们的广泛关注，微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，其目标是将生物、化学、医学等实验室的基本功能集成到厘米级的芯片上，因而微流控芯片又被成为芯片实验室(Lab On a Chip)。在微流控芯片中，可以通过流体作用力或者外界场力对其中的层流实现精确控制，或者对上千个细胞实现操纵。由于微流控芯片微型化的特点，它可以实现便携式、低消耗、集成化的分析，并且可以大大缩短分析时间，这些优势使得微流控芯片技术成为微粒操纵中一种重要的手段。随着计算机科学的发展，数值模拟方法在复杂流动的模拟中得到了越来越广泛的应用，这也为研究复杂微流控芯片提供了一个新的途径。复杂微流控芯片操纵微粒的过程的数值模拟中有如下特点：1、微粒通常为柔性的生物细胞，需要研究生物细胞的变形，同时需要对其运动轨迹进行追踪；2、微流控芯片内的生物细胞同时受到流场、电场等多物理场的作用；3、内部流道达到微观尺度，但整个微流控芯片的整体尺寸又处在宏观尺度。但是，针对上述几个特点，采用传统单一的数值模拟方法和流体动力学模型存在如下问题：1、使用多相模块进行细胞形变和运动模拟时，难以处理两相交界面处的形变和追踪问题；2、数值模拟方法从宏观角度出发，芯片内部流体流动的本质难以刻画；3、整个芯片的模拟计算量很大，传统单一的模拟方法并行效率低，计算时间较长。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，该方法为基于复杂微流控芯片的有限单元-格子玻尔兹曼耦合仿真方法，用于解决现有的传统单一仿真方法中使用多相模块进行细胞形变和运动模拟时，难以处理两相交界面处的形变和追踪问题和芯片内部流体流动难以刻画和计算量大、并行效率低的问题。

本发明的目的通过下述技术方案实现：

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；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：