2 / 15
Численное моделирование процессов тепломассопереноса…
ISSN 0236-3933. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Приборостроение. 2017. № 5
71
живать большое число параметров, разделять нуклеацию и рост белковых кри-
сталлов и минимизировать их повреждения, исследуя их сразу же после кри-
сталлизации. Другие применения связаны с масс-спектрометрией [10−12], фар-
мацевтикой [3−15], биоанализом [16−19], исследованием и манипулированием
образцами, состоящими из одной клетки или одной молекулы [20, 21].
При работе с малыми объемами жидкостей (микро- и нанолитры) в микро-
флюидных системах для высокоточных экспериментов необходим прецизион-
ный контроль параметров системы (дозы жидкостей, соотношение смещения
компонентов, отбор проб и т. п.). Такой контроль может быть обеспечен только
измерением скоростей потоков жидкостей в режиме реального времени посред-
ством высокоточных микрофлюидных датчиков потока. Однако проектирова-
ние таких датчиков невозможно без фундаментального понимания процессов
переноса в микроканалах. Для решения этой задачи использованы методы чис-
ленного моделирования, поскольку вследствие вынужденного упрощения ма-
тематических моделей аналитические решения приводят к радикальному уве-
личению погрешностей моделирования, а экспериментальные данные не дают
полного представления о характере протекания процессов в микроканалах.
Ведущими научными группами проводились исследования [22−26] влияния
конструкции сенсоров на характеристики тепловых датчиков потока. Следует
отметить, что при построении всех моделей использован ряд упрощений, свя-
занных с выбором граничных условий для уравнений теплопереноса и гидроди-
намики. Кроме того, поскольку такие модели являются одномерными, ввиду
ограниченности размерности модели, авторами не учитываются влияние трех-
мерной структуры датчика и особенности топологии (конструкции) нагревате-
ля. Таким образом, на данный момент не существует полной трехмерной моде-
ли процессов, протекающих в микрофлюидных тепловых датчиках потока
(МТДП) жидкости, в которой были бы учтены конструктивные особенности и
топология датчика. Приведенные в работах [27−31] результаты теплового изме-
рения потока жидкости в микрофлюидных системах носят экспериментальный
характер, а используемые модели основаны на введенных упрощениях, которые
искажают характер протекающих процессов. Вследствие погрешностей модели-
рования, устройства, спроектированные на основе результатов таких моделей,
имеют худшие характеристики, чем было предсказано.
В связи с изложенным выше разработка новой численной модели процес-
сов тепломассопереноса в микрофлюидных системах, отражающей реальный
характер поведения подобных систем, представляет собой актуальную научную
технологическую задачу, решение которой имеет исследовательскую и приклад-
ную ценность.
Постановка задачи и численная модель.
Численно моделируется ламинар-
ное течение воды в канале МТДП длиной 3,5 мм, высота канала 50 мкм, ширина
300 мкм. Канал выполнен из полидиметилсилоксана, а его нижняя поверхность
представляет собой мембрану из оксида кремния толщиной 3,5 мкм, сформиро-