Eine neuartige Methode zur Validierung der Ergebnisse der Computational Fluid Dynamics (CFD) an mikrofluidischen Mischgeräten: eine Fallstudie.
Autoren
Daniel Blanco (1), Patrick Vlieger (1), Thijs Meewis (2), Koen Beyers (1), Tim Dieryckx (1)
Organisationen
Voxdale BV (1), Universität Gent (2)
Zusammenfassung: Weiterentwicklung der Mikrofluidik
Die Mikrofluidik-Technologie hat sich in den letzten Jahren zu einem starken Innovationstreiber entwickelt und viele Beispiele erfolgreicher Produkte sind bereits auf dem Markt. Mikrofluidik hat sich als Schlüsseltechnologie für eine Vielzahl von Anwendungen erwiesen, beispielsweise für Instrumente der Biowissenschaften und In-vitro-Diagnosegeräte. Zu den bahnbrechenden Beispielen gehören Organ-on-a-Chip-Systeme und Point-of-Care-Testgeräte, die eine entscheidende Rolle im Kampf gegen die COVID-19-Pandemie gespielt haben.
Das Mischen verschiedener Flüssigkeiten (z. B. Proben und Reagenzien) ist ein weit verbreiteter Vorgang. Das Mischen in den miniaturisierten Dimensionen mikrofluidischer Schaltkreise stellt jedoch eine große Herausforderung dar, da Turbulenzen unterdrückt werden. Aufgrund des charakteristischen laminaren Verhaltens von Flüssigkeiten im Mikromaßstab ist Diffusion der einzige Mechanismus, durch den sich Flüssigkeiten vermischen können, ein Prozess, der zu langsam ist, als dass man sich darauf verlassen könnte.
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Allerdings müssen CFD-Modelle immer experimentell validiert werden, was nicht immer eine einfache Aufgabe ist. Es sind innovative praxisnahe Ansätze gefragt. Validierte CFD-Modelle tragen dazu bei, das Risiko eines Ausfalls zu mindern, noch bevor mit dem Prototyping begonnen wird, und minimieren die Anzahl der Design-Prototyping-Test-Iterationen, was letztendlich zu Kosten- und Zeiteinsparungen führt.
Unsere Fallstudie stellt eine neuartige optische Methode zur Validierung von CFD-Ergebnissen vor, die eine innovative Definition von Variablen und eine Vergleichsstrategie umfasst und den Bedarf an kostspieliger Ausrüstung oder spezialisiertem Personal überflüssig macht. Wir demonstrieren die Gültigkeit des CFD-Modells für zwei verschiedene Designs aus relevanten Materialien und in einer Reihe praktischer experimenteller Umgebungen. Es könnte verwendet werden, um den Entwurfsprozess eines mikrofluidischen Mischgeräts zu beschleunigen oder ein bestehendes Design zu optimieren.
Zwar gibt es eine Reihe von Lösungen zur Förderung des Mischens in Mikrosystemen, doch muss die am besten geeignete Lösung ausgewählt und das Design dafür entwickelt werden, um den spezifischen Anforderungen jeder einzelnen Anwendung gerecht zu werden. Dies liegt daran, dass die Leistung der Mikromischer, wie bei mikrofluidischen Geräten im Allgemeinen, durch die geometrischen Designparameter (Querschnittsform und -abmessungen) und die Konfiguration der mikrofluidischen Netzwerkarchitektur bestimmt wird.
Computational Fluid Dynamics (CFD)-Modellierung und numerische Simulationen sind notwendige Werkzeuge im Designprozess mikrofluidischer Geräte. Kurz gesagt handelt es sich bei CFD um ein leistungsstarkes Toolset, das detaillierte Informationen über das Verhalten der Strömung in einem Design sowie Lösungen für komplexe Probleme im Zusammenhang mit Massen- und Wärmetransportphänomenen liefert, die auf andere Weise nicht gewonnen werden können.
