使用CFD-ACE+的计算机模拟改进了手持化学分析系统的设计

洛克希德·马丁公司（Lockheed Martin Company）桑迪亚公必威老虎机下分技巧司（Sandia Corporation）开发了一种手持化学分析系统，旨在由急救人员使用，以检测有毒剂。ChemLab系统的第一阶段是预浓缩剂，该预浓缩器从入口气流中采样和收集分析物，并将其弹出到分离阶段。由于与微等级的测量流程相关的困难，设计预浓缩剂具有挑战性。Sandia工程师与ESI集团的顾问合作，通过预浓缩剂模拟流体流量和化学反应必威打串ESI ACE+计算流体动力学（CFD）软件。仿真结果表明，在初始概念中，设计流沿预浓缩剂的侧面急流，吸附剂支柱的润湿效果不佳，导致分析物的吸附效率低下。Sandia和ESI工程师通过重新安排支柱来改善润湿并优化吸附和解吸阶段，从而修改了设计。

Sandia的Chemlab是一种用于国土安全，防御，环境和医疗应用的便携式，手持化学分析系统，可检测化学战剂和有毒工业化学品。平面预浓缩剂由稀薄的硝酸硅膜组成，该膜支持具有图案化的金属膜加热元件。将膜涂有一个模板的多孔溶胶凝胶，以选择性和可逆地吸收感兴趣的分析物，同时允许干扰物通过。在收集阶段，包含目标分析物的气流会流过前浓缩室，并吸附到预浓缩膜上。然后，使用薄膜电阻微型混合机加热吸附剂表面，同时将载气流入设备中。这会在大约0.2秒内热吸收收集的分析物中收集的分析物。

设计预集中器的工程师面临的挑战是在最小可能的时间内收集尽可能多的分析物，并提供分析物通量的尖峰，以通过传感器检测。设计参数包括预浓缩剂的几何形状，吸附和解吸阶段期间的质量流速，吸附和解吸阶段期间的载气，吸附和解吸动力学以及解吸温度曲线。诸如_chemlab之类的微流体设备不太适合传统的构建和测试设计方法。设备的小尺寸几乎不可能用传感器来评估局部流体流量所需的传感器。没有定量信息，工程师通常不得不依靠他们的本能和猜测来优化设计。

通过使用CFD-ACE+模拟预集中器的性能，可以在本应用中实现对常规设计方法的实质性改进。CFD模拟表明，在原始设计中，流沿预浓缩器的边缘迅速涌入，以避免支柱所带来的障碍物。结果是流动和支柱之间几乎没有接触。工程师重新安排了支柱，以解决这个问题。基本思想是将支柱定位，以阻止预集中剂侧面的逃生路线。他们通过整个柱子一直穿过预浓缩剂来完成，从而使气流被迫穿过一排柱子。使用这种几何形状重新运行分析显示出大大改善的流量，并具有更多的吸附剂支柱。

确定最佳流量几何形状后，进行了四个模拟，以测量与分析物吸附和解吸有关的表面反应。吸附阶段使用了两种不同的流速，两种不同的气体和两个不同的流速用于解吸阶段。模拟结果显示，更多的分析物被吸附的流速为300 mL/min。分析物浓度在60 mL的情况下在整个芯片上大幅下降，几乎没有在远离入口的支柱上发现分析物。

70多年来，桑迪亚（Sandia）提供了基本的科学技术来解决美国最具挑战性的安全问题。桑迪亚国家实验室is operated and managed by National Technology and Engineering Solutions of Sandia, LLC., a wholly owned subsidiary of Honeywell International, Inc. National Technology and Engineering Solutions of Sandia operates Sandia National Laboratories as a contractor for the U.S. Department of Energy’s National Nuclear Security Administration (NNSA) and supports numerous federal, state, and local government agencies, companies, and organizations.

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