本发明涉及微全分析系统技术领域，具体涉及一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法。
背景技术：
随着微机电系统技术(mems，microelectro-mechanicalsystem)的发展，微流控芯片技术得到了人们的广泛关注，微流控芯片是一种以在微米尺度空间对流体进行操控为主要特征的科学技术，其目标是将生物、化学、医学等实验室的基本功能集成到厘米级的芯片上，因而微流控芯片又被成为芯片实验室(labonachip)。在微流控芯片中，可以通过流体作用力或者外界场力对其中的层流实现精确控制，或者对上千个细胞实现操纵。由于微流控芯片微型化的特点，它可以实现便携式、低消耗、集成化的分析，并且可以大大缩短分析时间，这些优势使得微流控芯片技术成为微粒操纵中一种重要的手段。随着计算机科学的发展，数值模拟方法在复杂流动的模拟中得到了越来越广泛的应用，这也为研究复杂微流控芯片提供了一个新的途径。复杂微流控芯片操纵微粒的过程的数值模拟中有如下特点：1、微粒通常为柔性的生物细胞，需要研究生物细胞的变形，同时需要对其运动轨迹进行追踪；2、微流控芯片内的生物细胞同时受到流场、电场等多物理场的作用；3、内部流道达到微观尺度，但整个微流控芯片的整体尺寸又处在宏观尺度。但是，针对上述几个特点，采用传统单一的数值模拟方法和流体动力学模型存在如下问题：1、使用多相模块进行细胞形变和运动模拟时，难以处理两相交界面处的形变和追踪问题；2、数值模拟方法从宏观角度出发，芯片内部流体流动的本质难以刻画；3、整个芯片的模拟计算量很大，传统单一的模拟方法并行效率低，计算时间较长。
技术实现要素：
本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，该方法为基于复杂微流控芯片的有限单元-格子玻尔兹曼耦合仿真方法，用于解决现有的传统单一仿真方法中使用多相模块进行细胞形变和运动模拟时，难以处理两相交界面处的形变和追踪问题和芯片内部流体流动难以刻画和计算量大、并行效率低的问题。
本发明的目的通过下述技术方案实现：
一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，包括下述步骤：
首先对微流控芯片中生物微粒受到的各单一物理场作用进行基于有限单元法的仿真，之后对生物微粒受到的多物理场综合作用进行基于格子玻尔兹曼方法的生物微粒模型的多相流仿真；该仿真方法具体包括以下三个模块：
(1)微流控芯片的实体模型及流体域实体模型建模模块；该模块是完成仿真模拟最基本的模块，主要是建立微流控芯片的实体模型及流体域实体模型，具体步骤如下：
s1.1，建立微流控芯片的实体模型；根据微流控芯片的实际尺寸，使用三维实体建模软件ug建立芯片的实体模型，在此过程中需要对芯片的结构进行适当的优化：考虑结构中存在对计算精度有较大影响的尖角，可对尖角进行小尺寸的圆角处理，以便减小尖角在计算中带来的计算误差，同时也减小对流体和生物细胞的流动的影响；
s1.2，建立微流控芯片的流体域实体模型；完成s1.1后，使用三维实体建模软件ug中的布尔运算命令，抽取微流控芯片的流体域，并将抽取的流体域模型输出为stp格式文件；
(2)基于有限单元法的仿真模块；微流控芯片中生物细胞受到多物理场综合作用，该模块使用基于有限单元法开发的comsol软件进行仿真，具体步骤如下：
s2.1，对流体进行网格划分和设置相应的初始条件，将s1.2得到的微流控芯片流体域模型的stp格式文件导入comsol软件中进行网格划分，同时添加相应的comsol软件的仿真模块，所述comsol软件的仿真模块包括流体分析模块、电场分析模块和粒子流动追踪模块，并设置流体和生物颗粒的流体、介电特性参数；
s2.2，在流体分析模块处设置相应的流场边界条件：将入口条件设置为速度入口，以定义流入微流控芯片的流体速度；将出口条件设置为压力出口，以定义出口处的压力；设置微流控芯片的其他边界为反弹边界，进而求解出流场的速度分布；
s2.3，在电场分析模块处设置相应的电场边界条件：设置电流的频率为f；将微流控芯片的正电极处定义为高电势，将微流控芯片的负电极处定义为低电势；微流控芯片的其他边界设置为绝缘边界，进而求解出电场的强度分布；
s2.4，在粒子追踪模块处设置相应的流场和电场的边界条件：设置流体入口处为粒子释放入口；设置流体出口处为粒子收集出口；设置求解粒子所受到的流场曳力所需的流场速度分布数据，该数据为s2.2.2中求解的流场速度分布数据；设置求解粒子所受到的电场介电泳力所需的电场强度分布数据，该数据为s2.3中求解的电场强度分布数据；最后求解出粒子在微流控芯片中随时间和位置变化的介电泳力数据；
s2.5，对粒子所受到的介电泳力数据进行处理；将s2.4中求解的随时间和位置变化的介电泳力数据输出到格式为txt的数据文件中；
(3)基于格子玻尔兹曼法的仿真模块；为求解微流控芯片中生物细胞的形变和运动轨迹，该模块使用基于格子玻尔兹曼法开发的xflow软件进行仿真，具体步骤如下：
s3.1，选取仿真模块和设置初始条件；选取流体分析模块为多相流模块，设置其中一个相为具备细胞特性的流体，并控制该相的形状为细胞的圆形形状；之后将s2.5中获得的含有介电泳力数据的txt数据文件作为其中一个初始条件，施加到细胞圆形区域中，xflow软件随着仿真进行自动读取txt数据文件里面的介电泳力数据，进而设置流体的材料属性；
s3.2，设置相应边界条件；设置微流控芯片的流体入口处为速度入口，以定义流入微流控芯片的流体速度；设置微流控芯片的流体出口处为压力出口，以定义出口处流体的压力；设置微流控芯片的其他壁面为反弹边界，进而求解细胞在流动过程中受到的流场和电场共同作用下的形变和运动轨迹。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
(1)相对于传统仿真方法难以处理的两相交界面处的形变和追踪问题，本发明采用介观格子玻尔兹曼仿真方法，能很好的反映细胞的形变和运动轨迹追踪；采用介观格子玻尔兹曼仿真方法求解微流控芯片内部流场，不受限于流体连续性假设，能够反映流体流动的本质和细微变化；
(2)本发明采用间接耦合方法，对流体流动的控制方程采用介观格子玻尔兹曼仿真方法进行求解，对微流控芯片内电场和细胞受到的介电泳力采用宏观有限单元仿真方法进行求解，通过将求细胞的介电泳力传递到流体流场流动中来实现两者之间的间接耦合，相对于实时耦合方法，本发明能够直接利用现有的商用软件，减少代码编写，有利于节约计算资源。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明的流程图；
图3为本发明的网格划分图；
图4为本发明的细胞形变和轨迹图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
如图1～4所示，一种面向复杂微流控芯片的多尺度耦合仿真方法，包括下述步骤：
首先对微流控芯片中生物微粒受到的各单一物理场作用(如电场或者磁场等物理场作用)进行基于有限单元法的仿真，之后将生物微粒受到的多物理场综合作用进行基于格子玻尔兹曼方法的生物微粒模型的多相流仿真，此处的多物理场综合作用为电场和磁场等物理场的综合作用；
宏观尺度有限单元法的仿真结果作为介观尺度的格子玻尔兹曼法的初始条件包括：需要匹配宏观尺度下有限单元法的仿真跟介观尺度下的格子玻尔兹曼仿真的时间步长；需要将宏观尺度下有限单元法的仿真结果输出格式为txt的数据文件。
该仿真方法具体包括以下三个模块：
(1)微流控芯片的实体模型及流体域实体模型建模模块；该模块是完成仿真模拟最基本的模块，主要是建立微流控芯片的实体模型及流体域实体模型，具体步骤如下：
s1.1，建立微流控芯片的实体模型；根据微流控芯片的实际尺寸，使用三维实体建模软件ug建立芯片的实体模型，在此过程中需要对芯片的结构进行适当的优化：考虑结构中存在对计算精度有较大影响的尖角，可对尖角进行小尺寸的圆角处理，以便减小尖角在计算中带来的计算误差，同时也减小对流体和生物细胞的流动的影响；
s1.2，建立微流控芯片的流体域实体模型；完成s1.1后，使用三维实体建模软件ug中的布尔运算命令，抽取微流控芯片的流体域(流体流动的区域，亦即是内部流道)，并将抽取的流体域模型输出为stp格式文件；
(2)基于有限单元法的仿真模块；微流控芯片中生物细胞受到多物理场综合作用，该模块使用基于有限单元法开发的comsol软件进行仿真，具体步骤如下：
s2.1，对流体进行网格划分和设置相应的初始条件，如图3所示，将s1.2得到的微流控芯片流体域模型的stp格式文件导入comsol软件中进行网格划分，同时添加相应的comsol软件的仿真模块，所述comsol软件的仿真模块包括流体分析模块、电场分析模块和粒子流动追踪模块，并设置流体和生物颗粒的流体、介电特性参数；
s2.2，在流体分析模块处设置相应的流场边界条件：将入口条件设置为速度入口，以定义流入微流控芯片的流体速度；将出口条件设置为压力出口，以定义出口处的压力；设置微流控芯片的其他边界为反弹边界wall，进而求解出流场的速度分布；
s2.3，在电场分析模块处设置相应的电场边界条件：设置电流的频率为f；将微流控芯片的正电极处定义为高电势，将微流控芯片的负电极处定义为低电势；微流控芯片的其他边界设置为绝缘边界，进而求解出电场的强度分布；
s2.4，在粒子追踪模块处设置相应的流场和电场的边界条件：设置流体入口处为粒子释放入口；设置流体出口处为粒子收集出口；设置求解粒子所受到的流场曳力所需的流场速度分布数据，该数据为s2.2.2中求解的流场速度分布数据；设置求解粒子所受到的电场介电泳力所需的电场强度分布数据，该数据为s2.3中求解的电场强度分布数据；最后求解出粒子在微流控芯片中随时间和位置变化的介电泳力数据；
s2.5，对粒子所受到的介电泳力数据进行处理；将s2.4中求解的随时间和位置变化的介电泳力数据输出到格式为txt的数据文件中；
(3)基于格子玻尔兹曼法的仿真模块；为求解微流控芯片中生物细胞的形变和运动轨迹，该模块使用基于格子玻尔兹曼法开发的xflow软件进行仿真，具体步骤如下：
s3.1，选取仿真模块和设置初始条件；xflow软件具备无网格方法，故无需进行网格划分，选取流体分析模块为多相流模块，设置其中一个相为具备细胞特性的流体，并控制该相的形状为细胞的圆形形状；之后将s2.5中获得的含有介电泳力数据的txt数据文件通过牛顿第二定律转换成加速度输入到相应的基于格子玻尔兹曼法的软件(即xfolw软件)中作为介观尺度仿真法的其中一个初始条件，施加到细胞圆形区域中，xflow软件随着仿真进行自动读取txt数据文件里面的介电泳力数据，进而设置流体的材料属性；
s3.2，设置相应边界条件；设置微流控芯片的流体入口处为速度入口，以定义流入微流控芯片的流体速度；设置微流控芯片的流体出口处为压力出口，以定义出口处流体的压力；设置微流控芯片的其他壁面为反弹边界wall，进而求解细胞在流动过程中受到的流场和电场共同作用下的形变和运动轨迹，具体来说，如图4所示，设置与s2.5中相同的时间步长和总时间以配合s2.5中按时间和位置变化输出的仿真结果，通过求解质量守恒方程、动量守恒方程和粒子运动方程进行仿真计算，求解细胞在流动过程中受到流场和电场共同作用下的形变和运动轨迹。
相对于传统仿真方法难以处理的两相交界面处的形变和追踪问题，本发明采用介观格子玻尔兹曼仿真方法，能很好的反映细胞的形变和运动轨迹追踪；采用介观格子玻尔兹曼仿真方法求解微流控芯片内部流场，不受限于流体连续性假设，能够反映流体流动的本质和细微变化；本发明采用间接耦合方法，对流体流动的控制方程采用介观格子玻尔兹曼仿真方法进行求解，对微流控芯片内电场和细胞受到的介电泳力采用宏观有限单元仿真方法进行求解，通过将求细胞的介电泳力传递到流体流场流动中来实现两者之间的间接耦合，相对于实时耦合方法，本发明能够直接利用现有的商用软件，减少代码编写，有利于节约计算资源。
上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。