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🌪️ COMSOL 多物理场仿真指南

COMSOL Multiphysics 是微流控和器官芯片领域最强大的多物理场仿真软件。它不仅能帮我们在制作芯片前验证通道的流场分布，还能预测小分子药物的浓度梯度和内皮细胞在通道内受到的剪切力。

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🚀 实战教程：器官芯片单通道流场仿真​

本教程将手把手带你模拟一个基础的微流控直通道（高 100 μm，宽 500 μm）。通过仿真，我们将观察流速的剖面分布，并重点提取芯片底层壁面承载的**流体剪切力 (Shear Stress)**数值。

Step 1: 新建模型与几何 (Geometry)​

  1. 打开 COMSOL，选择 模型向导 (Model Wizard) -> 三维 (3D)。
  2. 添加物理场：展开 流体流动 > 单相流，双击 层流 (spf) 将其添加。
  3. 添加研究：向导最后一步选择 稳态 (Stationary)，并点击完成。
  4. 构建微通道几何： 在左侧选项树的“几何 1”上右键，选择“长方体 (Block)”：
    • 宽度 (x轴方向): 20 [mm] (即通道全长 20 mm)
    • 深度 (y轴方向): 0.5 [mm] (即通道宽度 500 μm)
    • 高度 (z轴方向): 0.1 [mm] (即通道高度 100 μm)
    • 点击上方的 构建所有对象，即可看到一个扁平的通道模型。

Step 2: 添加流体材料 (Materials)​

微通道中大部分培养液可以用“纯水”作为物理流体力学的替代：

  1. 右键树状图的 材料 -> 添加基本材料 (Add Material from Library)。
  2. 在右侧弹出的材质库搜索框内输入 Water, liquid，将其添加到组件，并自动分配给刚画好的长方体域。

Step 3: 配置物理场与边界条件 (Physics Setup)​

在“层流 (spf)”节点下集中设置实验中的流控泵参数：

  1. 流体属性： 默认已继承刚才添加的液态水。将设置定为 不可压缩流 (Incompressible flow)。
  2. 指定入口 (Inlet)： 右键“层流”节点，点击添加入口。
    • 选中长方体的一端微小端面（例如最左侧进液侧）。
    • 边界条件选择为 体积流率 (Volume flow rate)，在此处填入你实际注射泵推注的速度（例如：10 [ul/min]）。
  3. 指定出口 (Outlet)： 再添加一个出口，选择通道另一条狭长端面。边界条件保持默认的 压力 p0 = 0 Pa，代表直通大气。
  4. 指定壁 (Wall)： 其余的通道四面墙壁将默认自动归类为 无滑移 (No slip) 条件（即紧贴壁面的流体速度为 0）。

Step 4: 划分网格 (Meshing)​

器官芯片的通道深宽比极大。若是网格又糙又大，壁面附近的红蓝流速梯度差将被抹平，严重影响我们的剪切力结果：

  1. 点击左侧工具树中的“网格 1”。
  2. 在预设中的“单元大小”下拉框里修改为 较细化 (Finer) 甚至 精细 (Fine)。
  3. 点击上面的 全部构建。可以看到该空间被切分成了海量的立体四面体。

Step 5: 求解与目标数据提取 (Compute & Results)​

  1. 点击左边“研究 1”项下的 计算。这个通道属于轻量级基础模型，不到一分钟进度条即可跑满。
  2. 观察抛物面速度剖面图：
    • 此时在“结果”树中会默认弹出一个“速度 (spf)”三维红蓝图。
    • 能够清晰看到内部最高流速呈柱状红心，周边因粘滞阻力逐渐减小为深蓝色。

🔥 核心干货：如何用等式求解并描绘“壁面底部细胞的感受剪切力”？​

  1. 右键“结果”节点，新建一个 三维绘图组，并顺手重命名为“底部表面剪切力图”。
  2. 右键我们新建的这个绘图组，给它添加一张 表面 (Surface) 图。
  3. 单击这个“表面图”，在右侧属性的表达式 (Expression) 栏中，输入剪切力的内部物理引擎公式： spf.sr * spf.mu (注：公式含义 = 流体局部剪切速率 × 流体动力黏度)
  4. 展开下面的单位选项，勾选或输入学术文章里通用的 Pa 或者 dyn/cm^2。
  5. 点击属性栏上部的 绘制 按钮。

🎉 到这里你已经学会了comsol的基础操作