[發明專利]一種面向復雜微流控芯片的多尺度耦合仿真方法

有效

• 申請號: 201810083277.3
• 申請日: 2018-01-29
• 公開（公告）號: CN108446422B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 黃志剛;彭浩宇;陳英懷;蔡文萊;黃亞軍
• 申請（專利權）人: 廣東工業大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/28;G06F30/25;G06F113/08;G06F115/04
• 代理公司: 廣東廣信君達律師事務所 44329
• 代理人: 杜鵬飛;楊曉松

1.一種面向復雜微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，其特征在于，包括下述步驟：

首先對微流控芯片中生物微粒受到的各單一物理場作用進行基于有限單元法的仿真，之后對生物微粒受到的多物理場綜合作用進行基于格子玻爾茲曼方法的生物微粒模型的多相流仿真；該仿真方法具體包括以下三個模塊：

(1)微流控芯片的實體模型及流體域實體模型建模模塊；該模塊是完成仿真模擬最基本的模塊，主要是建立微流控芯片的實體模型及流體域實體模型，具體步驟如下：

S1.1，建立微流控芯片的實體模型；根據微流控芯片的實際尺寸，使用三維實體建模軟件UG建立芯片的實體模型，在此過程中需要對芯片的結構進行適當的優化：考慮結構中存在對計算精度有較大影響的尖角，可對尖角進行小尺寸的圓角處理，以便減小尖角在計算中帶來的計算誤差，同時也減小對流體和生物細胞的流動的影響；

S1.2，建立微流控芯片的流體域實體模型；完成S1.1后，使用三維實體建模軟件UG中的布爾運算命令，抽取微流控芯片的流體域，并將抽取的流體域模型輸出為stp格式文件；

(2)基于有限單元法的仿真模塊；微流控芯片中生物細胞受到多物理場綜合作用，該模塊使用基于有限單元法開發的Comsol軟件進行仿真，具體步驟如下：

S2.1，對流體進行網格劃分和設置相應的初始條件，將S1.2得到的微流控芯片流體域模型的stp格式文件導入Comsol軟件中進行網格劃分，同時添加相應的Comsol軟件的仿真模塊，所述Comsol軟件的仿真模塊包括流體分析模塊、電場分析模塊和粒子流動追蹤模塊，并設置流體和生物顆粒的流體、介電特性參數；

S2.2，在流體分析模塊處設置相應的流場邊界條件：將入口條件設置為速度入口，以定義流入微流控芯片的流體速度；將出口條件設置為壓力出口，以定義出口處的壓力；設置微流控芯片的其他邊界為反彈邊界，進而求解出流場的速度分布；

S2.3，在電場分析模塊處設置相應的電場邊界條件：設置電流的頻率為f；將微流控芯片的正電極處定義為高電勢，將微流控芯片的負電極處定義為低電勢；微流控芯片的其他邊界設置為絕緣邊界，進而求解出電場的強度分布；

S2.4，在粒子追蹤模塊處設置相應的流場和電場的邊界條件：設置流體入口處為粒子釋放入口；設置流體出口處為粒子收集出口；設置求解粒子所受到的流場曳力所需的流場速度分布數據，該數據為S2.2中求解的流場速度分布數據；設置求解粒子所受到的電場介電泳力所需的電場強度分布數據，該數據為S2.3中求解的電場強度分布數據；最后求解出粒子在微流控芯片中隨時間和位置變化的介電泳力數據；

S2.5，對粒子所受到的介電泳力數據進行處理；將S2.4中求解的隨時間和位置變化的介電泳力數據輸出到格式為txt的數據文件中；

(3)基于格子玻爾茲曼法的仿真模塊；為求解微流控芯片中生物細胞的形變和運動軌跡，該模塊使用基于格子玻爾茲曼法開發的Xflow軟件進行仿真，具體步驟如下：

S3.1，選取仿真模塊和設置初始條件；選取流體分析模塊為多相流模塊，設置其中一個相為具備細胞特性的流體，并控制該相的形狀為細胞的圓形形狀；之后將S2.5中獲得的含有介電泳力數據的txt數據文件作為其中一個初始條件，施加到細胞圓形區域中，Xflow軟件隨著仿真進行自動讀取txt數據文件里面的介電泳力數據，進而設置流體的材料屬性；

S3.2，設置相應邊界條件；設置微流控芯片的流體入口處為速度入口，以定義流入微流控芯片的流體速度；設置微流控芯片的流體出口處為壓力出口，以定義出口處流體的壓力；設置微流控芯片的其他壁面為反彈邊界，進而求解細胞在流動過程中受到的流場和電場共同作用下的形變和運動軌跡。