欢迎来到达索SOLIDWORKS增值经销商硕迪科技官网
服务热线：400-009-9965
solidworks@shuodizhixin.com
这篇文章将讨论流体动力学 (CFD流体仿真软件) 如何在医学、制药和生物技术 等生命科学领域实现虚拟原型设计。将包括微流体电路的优化、吸入药物输送装置的分析以及医疗环境中电子设备的被动冷却的案例。
▌ 制药和生物技术研究人员通常依靠“芯片实验室”来处理样品和培养物。这些设备通常具有微米量级的流体通道，这种规模的流体行为的设计和分析被称为微流体。
▌ 用这种方法设计的流体回路可以实现各种行为，下面的示例展示 了将多个来源的流体混合到所需的浓度。
▌ 流体动力学计算软件，例如SOLIDWORKS Flow Simulation，允许定义多个流体源，以预测通过设备的混合行为，还可以将颗粒注入流体流中，并计算它们的行进距离和停留时间等参数。
特斯拉阀设计非常有用，因为它没有移动部件。 为了在流体设备中实现类似止回阀的行为，尼古拉·特斯拉 (Nikola Tesla) 设计了特斯拉阀并于 1920 年获得专利，如今在现代微流体设备的应用中重新流行起来。
特斯拉阀的一个关键设计参数是给定流量下反向和正向压降的“双向性”或比率。使用 CFD 软件可以优化阀门几何形状，以最大限度地提高双数性，双数性可能会根据流体速度和任何动态效应（例如脉冲或脉动流）而变化。
药物输送装置和涂药器也可以受益于多流体混合模拟。例如吸入器，存在推进剂、药物和环境空气的混合物，这些混合物都可以在模拟中同时表示，以在出口处达到目标药物浓度。CFD软件还可以探索必须控制温度的药物的热效应。
对于静脉内或皮下注射药物，如果需要对注射器或泵进行详细建模，可以单独使用CFD软件 ，也可以与有限元分析 (FEA) 结合使用。
随着互联医疗设备的兴起，电子冷却仿真已成为许多医疗设备产品设计周期的重要组成部分。在医疗环境中，为了避免扬起灰尘并降低污染风险，需要采用仅通过自然对流散热的气密密封外壳。
SOLIDWORKS Flow Simulation 使此类分析变得非常简单。只需要您定义设备方向、重力方向以及任何相关的热源和固体材料，SOLIDWORKS Flow Simulation 模拟负责剩下的工作，结合流体动力学和共轭传热的效果来表示自然对流过程。
达索系统提供有四种各具特色的流体仿真软件来满足企业对于流体仿真的需要，分别为：Solidworks Flow Simulation ; 3DExperience CFD, Simulia XFlow, SImulia Powerflow. 欢迎了解四种求解器的特点和区别。
在以上这些流体技术应用过程中，我们经常会遇到以下常见问题：
▌ 一个常见的应用是用于处理细胞培养、分析和其他生物应用的“芯片实验室”。使用的体积非常小，可以通过有限的输入量处理许多样本。 ▌ 输入量有限。设计流体“回路”的能力允许复杂的行为。 ▌ 除了生命科学应用之外，微流体装置也用于喷墨打印机。
▌ 微流体装置可以通过 CNC 微铣削或化学蚀刻/光刻来构建。在稍大的微流体尺度上，它们甚至可以使用新的可灭菌聚合物。
3. 微流体和流体动力学在传统尺度上有什么区别，它们如何影响模拟方法？
▌ 与传统尺度的流体动力学相比，微流体中的液体流动大多是层流，因此涉及两种流体混合的问题（传统上会受益于湍流）可能需要不同的方法，包括长蛇形通道。
▌ 在微流体尺度上，通常在较大尺度上被忽略的物理效应（例如液体的表面张力或毛细管作用）可能成为一个重要因素。在足够小的尺度上（在微流体尺度的低端），液体的滑移长度可能成为整体流动模式的重要贡献者，这意味着传统的“无滑移”壁条件不是一个安全的假设。
▌ 对于悬浮在流体中的颗粒，则需要在非常小的尺度上考虑额外的力。
▌ 划分网络时需要具有较高的网格细化度，以最大限度地减少网格设置太粗时发生的“数值扩散”，特别是对于多流体混合问，由于模拟中的平均误差，数值扩散将导致模拟具有高于预期的混合性能。
▌ SOLIDWORKS Flow Simulation 非常适合微流体和更大规模的微流体应用，但它不具备关于表面张力或毛细管作用的功能。
▌ 特斯拉阀门设计的最大好处是它没有移动部件，并且可以使用微流体装置计划的任何现有制造工艺切割成通道。 ▌ 值得注意的是，特斯拉阀门通常不依赖于任何在微观尺度上发挥作用的特殊效果，并且在大尺度上也能发挥同样的作用。因为传统的止回阀很容易获得并且价格实惠，特斯拉阀门没有在这方面大规模使用，同时与传统的止回阀不同，特斯拉阀总会有一些泄漏。 ▌ 在逆流特别频繁或剧烈的情况下，特斯拉阀门还可能具有更高的耐用性。
▌ 在前期进行流体模拟的最大好处之一是预测实现设计概念所需药物浓度和流速的可行性。可以定义多种流体，并直接计算它们的混合行为。 ▌ 随后，流体模拟可以使用参数研究中可用的优化方法来微调浓度或速度的均匀性，参数研究是用于批量迭代的内置实验设计工具。 ▌ 如果分析过程中需要受到温度控制，则热效应可以与上述分析同时结合。
▌ 特斯拉阀的关键性能特征是其“二元性”，它可以定义为在给定的施加压力下，正向流动方向的流量与反向流动方向的流量之比。
▌ 一般来说，云端的流体仿真解决方案提供了额外迭代和实验的能力，而无需专用强大的工作站或占用工程师的主PC。 ▌ 云结果共享可以使企业内的相关人员能够直接访问和解释模拟结果，而不是要求 CFD 用户生成和共享报告或屏幕截图。
10. 流体模拟如何帮助热管理？
▌ 仿真环节中许多问题可能涉及到热管理，例如在处理过程中调节药物或其他流体的温度或尝试冷却电子设备或其他设备。无论哪种情况，CFD 都是一个非常有用的工具，因为它允许同时模拟热效应和流体效应。
例如，对于被动冷却的电子设备，真正需要的只是定义热源、固体材料属性和重力方向 - 然后求解器负责处理固体和周围空气之间的共轭传热，其中热空气上升，冷空气增加填充以形成自然对流。
更多生命科学、医疗行业在流体仿真计算学科的应用案例，欢迎联系北京硕迪科技 400-009-9965。
北京硕迪科技是达索官方正式授权的Solidworks、simulia 正版软件代理商-硕迪科技的技术团队非常乐意根据您的业务提供中肯的建议和适用您近期和长远方展的仿真解决方案，
硕迪科技
