Microfluidic phenomena, components and simulation

Abstract

Tämä työ kuuluu Teknologian kehittämiskeskuksen rahoittaman projektin Development of Microfluidic Systems ensimmäiseen osaprojektiin Modelling and Simulation of Microfluidics. Työn tarkoituksena on kartoittaa mikrofluidistiikan tila niin perustutkimuksen, laitekehityksen kuin simuloinnin ja mallintamisen osalta. Tavoitteena on saada aikaan jäsennelty kokonaisuus, josta aiheesta kiinnostunut lukija saa hyvän yleiskuvan alasta sekä pohjan lisätietojen etsimistä varten.

Työssä käydään suppeasti läpi perusteet perinteisestä virtausopista. Mikrofluidistiikan fysiikkaa tarkastellaan kahdesta eri näkökulmasta. Ensin tarkastellaan virtauksen luonteen muuttumista perinteisen virtausopin perusteella. Tällöin tuodaan esille virtaukseen vaikuttavien voimien skaalautuminen, ja sen vaikutukset virtauksessa, lämmönjohtumisessa sekä diffuusiossa. Toiseen tarkasteluun otetaan mukaan voimat, joita perinteinen virtausoppi ei ota huomioon. Näitä voimia sekä niiden vaikutuksia käydään läpi. Mikrofluidistiikan fysiikan tarkasteluun liittyvät myös kontinuumioletuksen pätevyyden kyseenalaistaminen, sekä sen rikkoutumisesta seuraavat ilmiöt.

Työssä on selvitys nykyisistä mikrofluidistiikan komponenteista, joita on jaoteltu toimintaperiaatteensa tai rakenteensa mukaan. Komponenteista käsitellään virtauksen suureita mittaavat anturit, venttiilit ja pumput sekä joitakin pisara-annostelijoita, sekoittimia, reaktoreita ja suodattimia.

Virtaussimuloinnista käsitellään laskennalliseen virtausmekaniikkaan ja diskreettien partikkeleiden malliin perustuvat lähestymistavat. Laskennallisesta virtausmekaniikasta selvitetään Navier-Stokes yhtälöiden diskretoinnin perusedellytykset sekä käydään läpi kontrollitilavuusmenetelmä ja elementtimenetelmä. Diskreettien partikkelien malleista esitellään molekyylidynamiikka ja soluautomaatti.