Моделі та методи мультимасштабного проектування рідинних мікросистем
No Thumbnail Available
Date
2015
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Національний університет "Львівська політехніка"
Abstract
У дисертації вирішено науково-прикладну проблему розроблення моделей і методів мультимасштабного проектування рідинних мікросистем, які дало змогу підвищити рівень автоматизації процесу проектування. В роботі розроблено методологію мультимасштабного проектування рідинних мікросистем, яка за рахунок наскрізного автоматизованого вибору проектних процедур з різних проблемних та ієрархічних рівнів дозволяє формувати ефективний адаптивний маршрут проектування та підвищити ефективність автоматизованого проектування. Розвинено структурну модель мультимасштабного проектування, отримав
подальший розвиток блочно-ієрархічний підхід до проектування рідинних мікросистем, запропоновано та обгрунтовано гібридний метод скінчених елементів Гальоркіна для розв’язання задачі мультимасштабного моделювання мікропотоку рідинної суміші, вдосконалено гетерогенний метод зв’язування макро/мезо/мікро рівнів, в якому різнорідні моделі об’єднано в мультимасштабну модель потоку, отримало подальший розвиток середовище гетерогенного розподіленого проектування, в якому реалізовано підтримку розробленої методики мультимасштабного проектування мультидисциплінарних рідинних мікросистем. В диссертации решено научно-прикладную проблему разработки моделей и
методов автоматизированного мультимасштабного проектирования жидкостных микросистем, что позволило повысить уровень автоматизации и эффективность процесса проектирования.
В первом разделе проанализировано особенности развития и применения микропотоковых систем, рассмотрено особенности их функционирования и проектирования, как мультимасштабных систем. Указано, что для повышения уровня автоматизации проектирования следует разработать современную методологию мультимасштабного проектирования, эффективные модели и программные средства анализа микрофлюидных смесей в микроканалах. Во втором разделе разработана методология мультимасштабного проектирования жидкостных микросистем, которая, за счет сквозного автоматизированного
выбора проектных процедур с разных проблемных и иерархических уровней, позволяет формировать эффективный адаптивный маршрут проектирования и повысить качество и производительность самого процесса проектирования. Дальнейшее развитие получила структурная модель процесса проектирования, которая, за счет динамического включения на разных иерархических уровнях новых аспектов проектирования (гидравлического, биохимического, опто-механического и т.п.), и использования гетерогенной среды, обеспечила распределенное проектирование мультифизических жидкостных микросистем. Получил дальнейшее развитие блочно-иерархический подход к проектированию жидкостных микросистем, который за счет введения дополнительного мезоскопического уровня позволяет избежать затратного молекулярного моделирования и обеспечивает возможность моделирования с помощью модифицированных процедур вычислительной гидродинамики.
В третьем разделе разработано мультимасштабную модель потока, которая дает возможность точнее описать макросостояние смеси в микроканалах Лаб-чипов за счет описания фазового состава и сил взаимодействия между компонентами смеси на мезо- и микро- уровнях. Разработанная мультимасштабная модель базируется на физике процессов тепломассопереноса и включает уравнения сохранения импульса, энергии и массы для потока Стокса на макроуровне, уравнение Кана-Хилларда для многофазных смесей и уравнение Ланжевена для переноса мезочастиц - на мезоуровне, а также уравнения движения отдельных молекул для микроуровня. В четвертом разделе предложено и обосновано гибридный метод конечных элементов Галеркина, который за счет использования гетерогенного связывания уровней, обеспечил решение задачи мультимасштабного моделирования микрофлюидных потоков жидкостных микросистем в единой вычислительной процедуре. Усовершенствовано гетерогенный метод связывания процедур макро / мезо / микро уровней, в котором за счет параллельного использовання геометрического, процедурного и временного связывания, разнородные модели объединены в единую мультимасштабну модель потока. В пятом разделе получила дальнейшее развитие среда гетерогенного распределенного проектирования, в которой за счет модификации информационного, программного и методического обеспечений САПР, реализовано поддержку
разработанной методики мультимасштабного проектирования мультидисциплинарных
жидкостных микросистем. Вцелом, в диссертационном исследовании показало, что полноценное мультимасштабное проектирование может быть реализовано только при наличии:
а) библиотеки мультимасштабних моделей, которые обеспечивают полное описание потока смеси на всех иерархических уровнях; б) методов мультимасштабного моделирования, которые учитывают стационарные и динамические взаимодействия между уровнями; в) эффективных вычислительных процедур мультимасштабного анализа и верификации; г) информационной среды (framework) поддержки технологии распределенного гетерогенного проектирования. The dissertation solved the scientific-applied problem of the development models
and methods for multiscale design of fluidic microsystems, that allowed to increase the automation level of the design process. In the work, the methodology of multiscale design of fluid microsystems, which uses the end-to-end automated selection of design procedures from various problem and hierarchical levels and enables efficient and adaptive workflow, which increase the effectiveness of the computer-aided design process. The design process model have been developed, the block-hierarchical approach to the design of fluid microsystems received further development, the hybrid Galerkin finite element method which provides solving of multiscale fluid flow model in single computational procedure was developed. The heterogeneous coupling method of macro /meso / micro levels was improved, which due to use of parallel geometric, procedural and
time coupling, aloes to combine models in multiscale flow model, adapted to the specific liquid microsystems. The distributed heterogeneous design environment received further development by modifying the information, software and CAD methodical components, which supports the developed multiscale design methodology for multidisciplinary fluid microsystems.
Description
Keywords
рідинна мікросистема, мікрофлюїдика, мультимасштабне проектування, автоматизація, математична модель, середовище проектування, жидкостная микросистема, микрофлюидика, мультимасштабное проектирование, автоматизация, математическая модель, среда проектирования, fluid microsystem, microfluidics, multiscale design, automation, mathimatical model, design framework
Citation
Матвійків О. М. Моделі та методи мультимасштабного проектування рідинних мікросистем : автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук : 05.13.12 – системи автоматизації проектувальних робіт / Олег Михайлович Матвійків ; Міністерство освіти і науки України, Національний університет “Львівська політехніка”. – Львів, 2015. – 39 с. – Бібліографія: с. 30–34 (47 назв).