這篇文章將討論流體動力學(xué) (CFD流體仿真軟件) 如何在醫(yī)學(xué)、制藥和生物技術(shù) 等生命科學(xué)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)虛擬原型設(shè)計。將包括微流體電路的優(yōu)化、吸入藥物輸送裝置的分析以及醫(yī)療環(huán)境中電子設(shè)備的被動冷卻的案例。

微流體和流體混合

▌ 制藥和生物技術(shù)研究人員通常依靠“芯片實驗室”來處理樣品和培養(yǎng)物。這些設(shè)備通常具有微米量級的流體通道，這種規(guī)模的流體行為的設(shè)計和分析被稱為微流體。

▌ 用這種方法設(shè)計的流體回路可以實現(xiàn)各種行為，下面的示例展示 了將多個來源的流體混合到所需的濃度。

▌ 流體動力學(xué)計算軟件，例如SOLIDWORKS Flow Simulation，允許定義多個流體源，以預(yù)測通過設(shè)備的混合行為，還可以將顆粒注入流體流中，并計算它們的行進(jìn)距離和停留時間等參數(shù)。

特斯拉閥門

特斯拉閥設(shè)計非常有用，因為它沒有移動部件。 為了在流體設(shè)備中實現(xiàn)類似止回閥的行為，尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 設(shè)計了特斯拉閥并于 1920 年獲得專利，如今在現(xiàn)代微流體設(shè)備的應(yīng)用中重新流行起來。

特斯拉閥的一個關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)是給定流量下反向和正向壓降的“雙向性”或比率。使用 CFD 軟件可以優(yōu)化閥門幾何形狀，以最大限度地提高雙數(shù)性，雙數(shù)性可能會根據(jù)流體速度和任何動態(tài)效應(yīng)（例如脈沖或脈動流）而變化。

藥物輸送和治療

藥物輸送裝置和涂藥器也可以受益于多流體混合模擬。例如吸入器，存在推進(jìn)劑、藥物和環(huán)境空氣的混合物，這些混合物都可以在模擬中同時表示，以在出口處達(dá)到目標(biāo)藥物濃度。CFD軟件還可以探索必須控制溫度的藥物的熱效應(yīng)。

對于靜脈內(nèi)或皮下注射藥物，如果需要對注射器或泵進(jìn)行詳細(xì)建模，可以單獨使用CFD軟件 ，也可以與有限元分析 (FEA) 結(jié)合使用。

熱管理

隨著互聯(lián)醫(yī)療設(shè)備的興起，電子冷卻仿真已成為許多醫(yī)療設(shè)備產(chǎn)品設(shè)計周期的重要組成部分。在醫(yī)療環(huán)境中，為了避免揚起灰塵并降低污染風(fēng)險，需要采用僅通過自然對流散熱的氣密密封外殼。

SOLIDWORKS Flow Simulation 使此類分析變得非常簡單。只需要您定義設(shè)備方向、重力方向以及任何相關(guān)的熱源和固體材料，SOLIDWORKS Flow Simulation 模擬負(fù)責(zé)剩下的工作，結(jié)合流體動力學(xué)和共軛傳熱的效果來表示自然對流過程。

達(dá)索系統(tǒng)提供有四種各具特色的流體仿真軟件來滿足企業(yè)對于流體仿真的需要，分別為：Solidworks Flow Simulation ; 3DExperience  CFD, Simulia XFlow, SImulia Powerflow. 歡迎了解四種求解器的特點和區(qū)別。

在以上這些流體技術(shù)應(yīng)用過程中，我們經(jīng)常會遇到以下常見問題：

• 1. 微流控裝置用在什么地方？

• ▌ 一個常見的應(yīng)用是用于處理細(xì)胞培養(yǎng)、分析和其他生物應(yīng)用的“芯片實驗室”。使用的體積非常小，可以通過有限的輸入量處理許多樣本。 ▌ 輸入量有限。設(shè)計流體“回路”的能力允許復(fù)雜的行為。 ▌ 除了生命科學(xué)應(yīng)用之外，微流體裝置也用于噴墨打印機。

• 2. 微流控裝置是如何制造的？

  ▌ 微流體裝置可以通過 CNC 微銑削或化學(xué)蝕刻/光刻來構(gòu)建。在稍大的微流體尺度上，它們甚至可以使用新的可滅菌聚合物。

• 3. 微流體和流體動力學(xué)在傳統(tǒng)尺度上有什么區(qū)別，它們?nèi)绾斡绊懩M方法？?

  ▌ 與傳統(tǒng)尺度的流體動力學(xué)相比，微流體中的液體流動大多是層流，因此涉及兩種流體混合的問題（傳統(tǒng)上會受益于湍流）可能需要不同的方法，包括長蛇形通道。
  

• ▌ 在微流體尺度上，通常在較大尺度上被忽略的物理效應(yīng)（例如液體的表面張力或毛細(xì)管作用）可能成為一個重要因素。在足夠小的尺度上（在微流體尺度的低端），液體的滑移長度可能成為整體流動模式的重要貢獻(xiàn)者，這意味著傳統(tǒng)的“無滑移”壁條件不是一個安全的假設(shè)。
  

• ▌ 對于懸浮在流體中的顆粒，則需要在非常小的尺度上考慮額外的力。

• 4. 網(wǎng)格分辨率如何影響流體流動模擬的準(zhǔn)確性？?

  ▌ 劃分網(wǎng)絡(luò)時需要具有較高的網(wǎng)格細(xì)化度，以最大限度地減少網(wǎng)格設(shè)置太粗時發(fā)生的“數(shù)值擴散”，特別是對于多流體混合問，由于模擬中的平均誤差，數(shù)值擴散將導(dǎo)致模擬具有高于預(yù)期的混合性能。

• 5. 在處理表面張力和毛細(xì)管作用等特殊情況方面，SOLIDWORKS Flow Simulation 與其他工具相比如何？?

  ▌ SOLIDWORKS Flow Simulation 非常適合微流體和更大規(guī)模的微流體應(yīng)用，但它不具備關(guān)于表面張力或毛細(xì)管作用的功能。?

• 6. 為什么特斯拉閥常用于微流體應(yīng)用？

  ▌ 特斯拉閥門設(shè)計的最大好處是它沒有移動部件，并且可以使用微流體裝置計劃的任何現(xiàn)有制造工藝切割成通道。 ▌ 值得注意的是，特斯拉閥門通常不依賴于任何在微觀尺度上發(fā)揮作用的特殊效果，并且在大尺度上也能發(fā)揮同樣的作用。因為傳統(tǒng)的止回閥很容易獲得并且價格實惠，特斯拉閥門沒有在這方面大規(guī)模使用，同時與傳統(tǒng)的止回閥不同，特斯拉閥總會有一些泄漏。 ▌ 在逆流特別頻繁或劇烈的情況下，特斯拉閥門還可能具有更高的耐用性。

• 7. 能解釋一下雙性的概念及其重要性嗎？

  ▌ 在前期進(jìn)行流體模擬的最大好處之一是預(yù)測實現(xiàn)設(shè)計概念所需藥物濃度和流速的可行性?？梢远x多種流體，并直接計算它們的混合行為。 ▌ 隨后，流體模擬可以使用參數(shù)研究中可用的優(yōu)化方法來微調(diào)濃度或速度的均勻性，參數(shù)研究是用于批量迭代的內(nèi)置實驗設(shè)計工具。 ▌ 如果分析過程中需要受到溫度控制，則熱效應(yīng)可以與上述分析同時結(jié)合。

• 8. 流體模擬如何幫助藥物輸送裝置的設(shè)計？

  ▌ 特斯拉閥的關(guān)鍵性能特征是其“二元性”，它可以定義為在給定的施加壓力下，正向流動方向的流量與反向流動方向的流量之比。

• 9. 使用云求解和結(jié)果共享進(jìn)行流體模擬有哪些優(yōu)勢？?

  ▌ 一般來說，云端的流體仿真解決方案提供了額外迭代和實驗的能力，而無需專用強大的工作站或占用工程師的主PC。? ▌ 云結(jié)果共享可以使企業(yè)內(nèi)的相關(guān)人員能夠直接訪問和解釋模擬結(jié)果，而不是要求 CFD 用戶生成和共享報告或屏幕截圖。?

• 10. 流體模擬如何幫助熱管理？

  ▌ 仿真環(huán)節(jié)中許多問題可能涉及到熱管理，例如在處理過程中調(diào)節(jié)藥物或其他流體的溫度或嘗試?yán)鋮s電子設(shè)備或其他設(shè)備。無論哪種情況，CFD 都是一個非常有用的工具，因為它允許同時模擬熱效應(yīng)和流體效應(yīng)。 例如，對于被動冷卻的電子設(shè)備，真正需要的只是定義熱源、固體材料屬性和重力方向 - 然后求解器負(fù)責(zé)處理固體和周圍空氣之間的共軛傳熱，其中熱空氣上升，冷空氣增加填充以形成自然對流。
  

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