Une approche novatrice pour la validation des résultats issus de la simulation numérique de la dynamique des fluides (CFD) appliquée à des dispositifs de mélange microfluidique : une étude de cas.
Auteurs
Daniel Blanco (1), Patrick Vlieger (1), Thijs Meewis (2), Koen Beyers (1), Tim Dieryckx (1)
Entreprises & institutions
Voxdale BV (1), Université de Gand (2)
Résumé : Faire progresser la microfluidique
Au cours des dernières années, la technologie microfluidique s'est affirmée comme un puissant moteur d'innovation, avec de nombreux produits à succès déjà présents sur le marché. Son influence s'étend à divers domaines, notamment les instruments des sciences de la vie et les dispositifs de diagnostic in vitro. Des exemples révolutionnaires incluent les systèmes d'organes sur puce et les dispositifs de test au point de service, jouant un rôle central dans la lutte contre la pandémie de COVID-19.
La combinaison de différents liquides, tels que des échantillons et des réactifs, est une opération fréquente. Cependant, dans les circuits microfluidiques aux dimensions miniaturisées, le mélange représente un défi majeur en raison de la suppression des turbulences. Le comportement laminaire distinctif des liquides à l'échelle microscopique signifie que la diffusion est le seul mécanisme par lequel les liquides peuvent se mélanger, mais ce processus est trop lent pour être fiable.
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Cependant, la validation expérimentale demeure essentielle pour les modèles CFD, une entreprise parfois complexe. Des approches novatrices et pragmatiques sont indispensables. Les modèles CFD validés contribuent à réduire le risque d'échec dès les premières phases, avant même l'entrée dans le prototypage, et permettent de minimiser les cycles itératifs de conception, prototypage et tests. Cette approche se traduit ultimement par des gains substantiels en termes de temps et de coûts.
Notre étude de cas présente une nouvelle approche optique novatrice pour la validation des résultats de la CFD. Cette méthode intègre une redéfinition créative des variables et une stratégie comparative, éliminant ainsi la nécessité d'investir dans des équipements coûteux ou de recourir à un personnel spécialisé. Nous illustrons la validité du modèle CFD en l'appliquant à deux conceptions distinctes utilisant des matériaux pertinents, et ce, dans une variété de contextes expérimentaux réalistes. Cette approche pourrait être exploitée pour accélérer le processus de conception de tout dispositif mélangeur microfluidique ou pour optimiser des conceptions existantes.
Malgré la diversité des solutions disponibles pour améliorer le mélange dans les microsystèmes, le choix de la solution optimale doit être minutieusement effectué, et sa conception adaptée pour répondre aux besoins spécifiques de chaque application particulière. En effet, les performances des micro-mélangeurs, tout comme celles des dispositifs microfluidiques en général, dépendent des paramètres de conception géométrique (forme et dimensions de la section transversale) ainsi que de la configuration de l'architecture du réseau microfluidique.
La modélisation numérique de la dynamique des fluides (CFD) et les simulations numériques sont des outils indispensables dans le processus de conception des dispositifs microfluidiques. En résumé, la CFD représente un ensemble d'outils puissants qui fournissent des informations détaillées sur le comportement des flux dans une conception, ainsi que des solutions aux problèmes complexes liés aux phénomènes de transport de masse et de chaleur, solutions qui ne pourraient être obtenues autrement.
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