软件影响14(2022)100440原始软件出版物MMFT液滴模拟器:基于液滴的微流控器件的高效模拟Gerold Finka,a,Florina Costamolinga,Robert Willeb,ca约翰内斯开普勒大学林茨-集成电路研究所,4040林茨,奥地利b慕尼黑工业大学-设计自动化主席,80333慕尼黑,德国c软件能力中心Hagenberg GmbH(SCCH),4232 Hagenberg,Austria自动清洁装置关键词:微流控液滴模拟代码元数据A B标准微流体装置在医学、(生物)化学、药理学等方面有许多重要的应用。不幸的是,它们的设计过程仍处于起步阶段,并且经常导致昂贵且耗时的“试错”方法,其中设计是手工得出的。为了防止这种情况,可以利用设计自动化方法和仿真工具,在整个设计阶段帮助设计人员。在本文中,我们提出了这样一个模拟工具,它允许模拟基于液滴的微流体装置的行为并且由此允许甚至在制造第一原型之前验证器件的功能当前代码版本v1.0.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2022-234Reproducible Capsule的永久链接https://codeocean.com/capsule/9337788/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统使用C++的软件代码语言、工具和服务编译要求,操作环境依赖性cmake≥ 3.21,C++-17兼容编译器如果可用链接到开发人员文档/手册microfluidics. xcit.tum.de1. 介绍微流控技术是一个新兴的领域,旨在将庞大而昂贵的实验室设备缩小到单个微流控芯片上。因此,这些芯片通常被称为芯片实验室(LoC),并且在诸如医学、(生物)化学、生物学、药理学等领域中发现了许多巨大的应用[1这种小型化和集成到单个芯片中允许使实验室操作/实验自动化和并行化,并且具有许多益处,例如减少样品/试剂的体积(其通常是昂贵的或稀有的)、更高的通量、更短的反应时间、降低的成本等。特别是基于液滴的微流体装置(其是一种特殊类型的LoC)是一种有前途的技术。在此,含有某些样品/试剂的液滴通过第二不混溶流体(所谓的连续相)输送通过封闭的微通道。通过使这些液滴通过LoC上的不同模块,可以进行不同的操作,例如加热、混合、孵育等,其允许处理宽范围的(生物)化学实验[4尽管有这些承诺,微流体装置的设计过程仍处于起步阶段,并且大多数是手动进行的,这是特别关键的,因为设计这样的LoC是一项相当复杂的任务,其中需要考虑大量的物理参数。不幸的是,这通常会导致“试错法”,即先制造设计,然后测试它是否满足所需的功能。如果它没有显示出预期的行为,并再次进行制造/测试-结果在一个耗时且昂贵的调试循环中。为了克服这一点,模拟方法和设计自动化工具,如[7本文中的代码(和数据)已由Code Ocean认证为可复制:(https://codeocean.com/)。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。*通讯作者。电子邮件地址:gerold. jku.at(G. 芬克),佛罗里达jku.at州。 Costamoling),robert.wille@ tum.de(R。Wille)。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100440接收日期:2022年10月29日;接受日期:2022年2665-9638/©2022作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章,使用CC BY许可证(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页:www.journals.elsevier.com/software-impactsG. 芬克,F。 Costamoling和R. Wille软件影响14(2022)100440252ℎ2003年3月,图 1被认为。它包括6个通道(用数字表示),5个原型制造。这允许打破这些昂贵的调试循环并缩短上市时间。在这篇文章中,我们提出了这样一个基于液滴的微流体设备的模拟工具,允许模拟LoC内的液滴路径,并通过此捕获设备的行为。因此,这种液滴模拟器能够验证设计是否按预期工作,而不需要实际制造的设备。此外,模拟的设置时间和总计算时间非常短,因此可以在可忽略的运行时间内测试不同的设计。当在早期设计阶段进行快速设计探索时,这变得很方便。在下一节中,我们将更详细地讨论模拟器的功能。2. 描述和特点为了描述微流体装置的行为,需要适当的物理模型。这里经常使用计算流体动力学(CFD)模拟,这是非常准确的,但不幸的是,也计算昂贵[10]。因此,CFD模拟仅适用于评估较小的设计,或已经处于设计阶段后期阶段的设计,其中CFD模拟的额外开销是可接受的。相比之下,我们使用的是一维(1D)分析模型(或简称1D模型)[11],这是一种更抽象的模型,因此在计算能力和设置时间方面需要更少的资源,但也不如CFD模拟精确因此,它非常适合早期设计探索和现有设计的粗略验证测试,其中效率比精度更重要2.1. 一维分析模型1D模型本身可以应用于具有完全分离的、层流的、粘性的和不可压缩的流动的场景中,这在微流体装置中通常是这种情况。在这样的条件下,微流体通道内的压降������、体积流速���和流体动力学阻力���之间的关系可以由哈根-普瓦耶定律[ 11,12 ]描述���������为���:对于具有一定宽度、高度和长度的矩形通道 ,水动力阻力的值可以通过下式计算(假设λ���