COMSOL粒子声泳声学仿真方法 原创

关键词：COMSOL；声泳；微流控；声辐射力；粒子追踪

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一、背景介绍

微流控芯片中，声波产生的声辐射力可对流体中的粒子或细胞实现无接触式操控与分选，在生物医学工程领域应用前景广阔。这类粒子在声波作用下沿特定方向迁移的现象称为声泳（Acoustophoresis）。

然而，声泳现象的控制方程具有非线性耦合特性，传统解析解适用范围受限。本研究基于商业有限元软件COMSOL Multiphysics，实现了三维粒子声泳的完整仿真方法，并验证了多种粒子类型的声辐射力计算精度。

图1 微通道声泳仿真几何模型

二、COMSOL仿真方法

本研究采用COMSOL Multiphysics 5.6实现三维声泳仿真。模型采用微通道几何结构，以水为流体介质，沿z轴施加驻波。通过Helmholtz方程求解声压分布，利用微扰理论对非线性方程进行线性化处理。

声辐射力通过在粒子表面直接积分声压获得，适用于任意尺寸的粒子，不受King公式长波近似的限制。粒子追踪采用COMSOL Livelink for MATLAB增量算法，每一时间步计算粒子表面声辐射应力，作为边界条件施加于层流模块求解流场，再通过Stokes阻力公式更新粒子位置和速度。

图2 声压分布云图

图3 不同粒子半径下声辐射力对比

三、关键结果与发现

本研究针对刚性球、可压缩粒子、弹性粒子、核壳粒子及椭球形粒子等多种类型进行了验证仿真。计算结果与King公式、Gorkov公式、Marston解等解析解进行对比，最大偏差不超过5%，证明了有限元模型的可靠性。

在压缩性粒子仿真中，声速cc=6559 m/s、密度2000 kg/m³的粒子位于微通道2/3高度处，声辐射力与Gorkov公式预测值高度吻合。对于核壳粒子（内外半径比b/a=0.99），仿真结果与Mitri解析解同样吻合良好。

粒子追踪仿真显示，粒子从释放位置迁移至稳态位置约需500个时间步（Δt=0.001 s），速度从初始值逐渐衰减至零，验证了声泳聚焦效果。该方法对微通道生物芯片的粒子分选优化具有直接指导意义。

图4 可压缩粒子声辐射力验证

图5 球形粒子声泳运动轨迹

图6 粒子速度随时间变化曲线

四、我们提供的服务

我们可提供以下仿真技术服务：①微流控芯片声场设计与优化；②粒子声泳分选仿真与参数优化；③COMSOL多物理场耦合仿真（声学-流场-结构）；④生物粒子（细胞、囊泡）声操控仿真建模；⑤微通道几何结构拓扑优化。

如有需要，欢迎通过公众号"320科技工作室"联系我们。