生物样本速冻装置冷台模拟

陈州旗 [1], 豆孟柯 [1], 刘宝林 [1],
[1] 上海理工大学,上海,中国

Published in 2018

1)网格剖分 利用COMSOL Multiphysics4.4软件对模型进行网格划分。采用结构化网格对冻存管单独扫掠操作,样本域固定单元数为20,管帽和管内空气域固定单元数为5,其余部件采用自由四面体的剖分方法。网格大小按普通物理场超细化处理,最大单元尺寸均不超过1cm。为保证计算精确度,对冻存管管壁网格局部加密。 2)边界条件 (1) 空气域。冷台外部空气初温为25℃(298.15K),设定空气外壁面绝热,不与外界换热。 (2) 冻存管。将管壁设置为薄层边界,管内样本(水)设置为相变材料,相变起始温度0℃(273.15K),相变区间10K。 (3) 导冷部件。冷台和导冷平板初始温度为25℃(298.15K),与空气接触部分设置对流传热边界。导冷平板底面绝热。 (4) 边界热源。参照Cryo-s 80W产品参数,计算得出制冷机制冷量Q与冷头温度T关系式为: Q=0.0024T^2-0.5983T+40.611 (7) 因此设置热耗率Q_b=-Q/A,其中A为制冷机冷头与导冷平板接触面积。 3)数值模拟方法 利用COMSOL Multiphysics4.4求解器对不同几何参数速冻平台进行数值模拟,模拟冷冻时间300s。添加传热和层流多物理场耦合。由于为瞬态非等温流模型,瞬态求解器采用计算精度及稳定性都较高的直接式MUMPS求解器。

研究意义:由于应用场合和样本实际保存的需求,急需开发出一种高效便携的速冻装置。本文基于斯特林制冷机设计了一种便携式样本速冻装置,并对冷台的形状进行了模拟优化,提出了最优形状方案,为今后冷冻样本的装置设计与实验提供参考。

Baixar