一种新型便携式对流PCR装置的数值模拟研究_张日成.pdf

机械工程师MECHANICAL ENGINEER2023 年第 8 期网址： 电邮：一种新型便携式对流PCR装置的数值模拟研究张日成，刘宇航，樊文林，叶修斌，康鑫（武汉理工大学 土木工程与建筑学院,武汉 430070）0引言聚合酶链反应（PCR）是一种用于体外扩增特异性核酸序列的生物分子技术1-2,由于其具有灵敏度高、特异性好等优点，因而被广泛运用于体外诊断、核酸检测领域。在PCR基因扩增过程中，原始微量的核酸模板在经历众多重复且特定的热循环（90 C高温变性、50 C低温退火、70 C恒温延伸）后，可进行上百万倍的扩增复制，由此达到检测所需的必要数量。传统的PCR检测仪由于需精确控制循环内各阶段的温度，对热循环装置及其电子控制系统复杂性提出了较高要求。此外，由于加热块与反应管之间的导热系数较低，热阻较高，PCR试剂的体积又往往在几十毫升左右，导致通常需要1.52 h才能完成3040个热循环3-4，给高效、省时、简便、低成本的即时检测造成了很大困难。利用自然对流原理设计的对流式PCR检测仪（CPCR）是一种潜在的有效解决方案5。在装置内多热源的作用下，容器不同区域可分别形成PCR化学反应过程中各阶段所需要的温度分布；另外由于浮升力驱动的自然对流效应，反应溶液将在装置内形成循环流动，达到流动循环一次核酸便扩增一倍的效果。本文提出一种新型的便携式CPCR检测仪，仅依靠一个单一热源进行加热、外壁面进行散热而形成稳定的温度梯度。同时由于热对流的固有特性，装置无需任何外部泵来驱动溶液流动，因此既可降低系统复杂性与经济成本，又可有效节能。此外，本工作将使用计算流体力学CFD的方法，模拟分析PCR试剂在反应容器内流动传热的物理过程6，并针对这一结构进行优化设计，以溶剂单次流动循环时间为优化目标，得到最优的装置尺寸。1数值仿真方法1.1几何模型研究的CPCR装置本体为一空心圆柱体结构的径向容器，如图1所示。中心空腔内放置加热器提供反应所需热量，并作为溶剂在腔内流动的驱动力来源。由于反应器内部加热、外部壁面散热，PCR扩增过程的最低与最高温度可分别在内、外边界处附近达到。这一要求也约束了加热器壁面距容器外壁面的距离，在本研究中固定为45 mm。1.2控制方程由于PCR试剂的物性与蒸馏水相近，因此在本研究中以水作为模拟的流动介质，其密度随温度的变化关系采用Boussinesq假设。流体在计算流体区域内发生热对流，通过瑞利数决定其流动状态。瑞利数计算式为Ra=gh3v，式中：g为重力加速度；h为流体层的高度；为热扩散率；为反应器中心和外围的温度差；v为动力黏度；为流体的热膨胀系数。当瑞利数小于108时，流动为层流；在1081010之间，层流转向湍流状态，大于1010为湍摘要：提出了一种新型便携式的对流PCR仪，其主体为一内置加热器的圆柱体反应容器。对PCR试剂在容器内的流动与传热过程进行了CFD数值模拟，结果表明，该结构设计可成功实现溶液在热对流作用下的自发流动循环，从而完成核酸模板的自动扩增。最后以流动单次循环的最短时间为目标，对反应容器尺寸进行了优化设计，优化后的单次循环时间仅为20 s。关键词：对流式PCR；热对流；数值模拟中图分类号:TH 77；TP 391.9文献标志码:A文章编号：10022333（2023）08002803Numerical Simulation of a New Portable Convective PCR DeviceZHANG Richeng,LIU Yuhang,FAN Wenlin,YE Xubin,KANG Xin(School ofCivil Engineeringand Architecture,Wuhan UniversityofTechnology,Wuhan 430070,China)Abstract:A novel portable convective PCR device is proposed.Its main component is a cylindrical reaction vessel with asingle heater installed in the middle.Flow and heat transfer processes of the PCR solvent are numerically simulated.Results show that this design could successfully render the fluid self-recirculating within the reactor owing to the heatadvection effect,and thereby achieve the automatic amplification of the nucleic acid templates.Finally,the reaction vesselsize is optimized with the objective of the shortest time for a single cycle of flow,and the optimized single cycle time isonly 20 s.Keywords:convective PCR;thermal convection;numerical simulation基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（S202110497185）图1CPCR仪结构示意图上壁面加热器外壁面下壁面28机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期流状态。经过计算判断，该研究问题为层流流动。这一不可压缩、定常流动传热问题的控制方程如下所示：连续性方程为V （u）=0；动量方程为（u ）u=p+g+2u；能量方程为Cp（u Tf）=（KfTf）。1.3网格划分使用ANSYS ICEM软件对几何模型进行网格划分。计算区域内全部采用四面体非结构化网格，体网格质量Skewness均保持在0.7以上。本工作所有算例的网格数量均在10 00020 000之间，经检查可满足计算结果的网格无关性。1.4方程求解使用基于有限体积法的ANSYS FLUENT软件对偏微分控制方程组进行求解。方程离散采用二阶迎风格式，速度与压力的解耦问题采用PRESTO!算法。封闭的反应容器仅有两个边界：内边界为加热器壁面，其热流密度设置为5000 W/m2；外边界为容器外壁面（上、下及侧壁面），设置对流换热系数为30 W/（m2 K），向外界环境散热。当各方程残差均小于10-4且模拟过程中各监测值（反应器中心温度和外壁面温度）均达到稳定状态时，可认为计算已收敛。在本工作中，这一计算过程大约需2000步迭代。研究中以核酸模板每扩增一倍所需的时间作为CPCR反应器的性能评价标准（时间越短，效果越高）。为达到该性能指标，在计算收敛后的后处理中采用粒子追踪方法，通过注入小直径的无质量惰性颗粒，则可以计算出溶剂在容器内流动循环一次的时间。2仿真结果及优化分析2.1基础尺寸下的流动传热概况首先对基础尺寸（直径为50 mm、高度为50 mm、加热器直径为5 mm）的反应器进行仿真。图2为反应器中心截面上的温度分布云图。从温度分布云图可以看出，温度范围在322.6363.4 K（49.590.4），温度由内往外依次降低，将反应器流体温度场分为三个区段，分别对应DNA扩增中的高温变性、低温退火、引物延伸三个步骤所需的温度，这表明了反应器内的温度符合PCR基因扩增的温度范围要求。此外，为了进一步研究反应器内流体的流动情况，对反应器内的速度梯度分布进行数据分析，获得了反应器中心截面上的速度分布云图和流线图，如图3所示。由图3（a）可以看出，反应器内的速度分布趋势与温度分布一致，贴近加热器的内壁处流体流动速度相对较高，而外壁面贴壁处的流动速度较低；由图3（b）中的流线也可知，反应器内流体的流动方向为从高温内圈向低温外圈流动。经计算，单次PCR扩增的时间为45 s。2.2反应器优化设计由于加热器壁面距容器外壁面的距离已固定（45 mm），在优化设计中考虑的独立变量为加热器（内圆柱空腔）直径与反应容器高度 两 个 尺 寸 参数。表1展示了模拟的各容器尺寸及其性能表现。可以看出，在固定加热器面热流密度以及反应容器径向距离的情况下，加热器直径对粒子单次流动循环时间的影响较为有限。而另一方面，该时间受反应容器高度的影响极大，且呈现出非单调性关系，如图4所示：当容器高度从50 mm增加到100 mm时，粒子单次循环的时间在不断减少，这是因为溶液密度差异造成的浮升力与热对流效应随容器高度的增大而增大；而当容器高度从100 mm增加到150 mm时，流动循环时间则出现升高趋势，这是由于流动距离的增加从另一方面又限制了循环的效率。综合来看，当容器高度为100 mm、加热器直径为910 mm时，粒子单次循环时间达到最短，仅为20 s。可将此作为优化设计中反应器的最佳尺寸。图3反应器中心截面上的速度场云图和速度流线图图2反应器中心截面上温度场云图（a）（b）表1各反应器尺寸（容器高度H和加热器直径Di）下的单次流动循环时间t变化情况sDi/mmH/mm5060708090100110120130140 1505453932262322242629313564538312623222526283134746383126232125262832348443932272221252530323594340322822202425303235104440322822202625303336114340322524232427283336124641302524232327283336134641302524222328293037144638302623212328293037154538332623222527293037（下转第33页）29机械工程师MECHANICAL ENGINEER网址： 电邮：2023 年第 8 期（上接第29页）3结论本文提出了一种新型便携式的对流 PCR 装置，并使用计算流体 力 学CFD的 方法对反应器内流动传热过程进行了数值模拟，结果表明，所提出的反应器结构可成功实现PCR试剂在热对流作用下的自发流动循环，从而完成核酸模板的自动扩增。最后对反应容器尺寸进行了优化设计，当容器高度为100 mm，加热器直径为910 mm时，单次流动循环时间可达到最短值20 s。参考文献1LYNCH J.PCR Technology:Principles and Applications forDNA AmplificationJ.Journal of Medical Genetics,1990,36(8).2MALCOLM G,RAY B,JOHN M,et al.Evaluation of the AppliedBiosystems Automated Taqman Polymerase Chain ReactionSystem for the Detection of Meningococcal DNA J.FemsImmunology&Medical Microbiology,2000(2):173-179.3MIAO G,ZHANG L,ZHANG J,et al.Free Convective PCR:fromPrinciple Study to Commercial Applications-a Critical ReviewJ.Analytica Chimica Acta,2020,1108:177-197.4WITTWERC.RapidCycleReal-timePCR:MethodsandApplicationsM.Rapid Cycle Real-Time PCR:Springer,2001:1-8.5KRISHNAN M,UGAZ V M,BURNS M A.PCR in a Rayleigh-Benard Convection CellJ.Science,2002,298:793-793.6黄靖,陈章位,姚英豪,等.定量PCR仪热循环系统温度均匀性有限元仿真研究J.仪器仪表学报,2010,31(5):1142-1147.（编辑马忠臣）作者简介：张日成（2001），男，本科生，建筑环境与能源应用工程专业；康鑫（1984），男，博士，副教授，硕士生导师，研究方向为燃烧数值仿真与实验技术、核聚变中的磁流体力学问题、新能源技术、计算流体力学、计算等离子体物理、等离子体化学气相沉积工艺等。通信作者：康鑫，。收稿日期：2022-08-30图4流动单次循环时间与反应容器高度之间的关系曲线（加热器直径为5 mm）循环时间/s204530354025401606080140120100容器高度/mm两边缘处最小。4结论焊接是一个涉及到热传导、力计算、冶金和电弧物理的复杂过程，其过程中的温度场和应力场变化及分布情况可以利用ANSYS软件实现数值模拟，焊接模拟对于构件结构的优化、焊接方法的改进及焊接材料的选择具有重要的作用。本文以弹塑性理论和有限元思想为理论基础，利用有限元分析软件ANSYS，对平板焊接过程中的热-结构耦合场进行了数值模拟，计算结果与实际焊接过程的温度场、残余应力分布规律一致，验证了该方法的有效性和可行性，为下一步工程实际中的焊接模拟提供了有效参考。参考文献1孙加民,邓德安,叶延洪,等.用瞬间热源模拟Q390高强钢厚板多层多道焊T形接头的焊接残余应力J.焊接学报,2016,37(7):31-34,38.2谢元峰.基于ANSYS的焊接温度场和应力的数值模拟研究D.武汉:武汉理工大学,2006.3谷京晨,童莉葛,黎磊,等.焊接数值模拟中热源的选用原则J.材料导报,2014,28(1):143-146.4李照广,张全贞,吕建.钢结构焊接的ANSYS数值模拟J.四川理工学院学报(自然科学版),2016,29(5):38-42.5秦继林,朱佳,韩蓓,等.基于ANSYS的SUS430钢激光焊接温度场模拟仿真研究J.热加工工艺,2016,45(9):194-197.6朱学敏,王宗彦,吴淑芳,等.薄板焊接残余应力和变形的数值模拟J.热加工工艺,2012,41(21):159-161.7李祖臣,周建新.基于ANSYS的Q345R厚板焊接数值模拟研究J.焊接技术,2020,49(6):79-86.8杨党团.钢结构梁柱节点残余应力数值模拟及试验研究D.兰州:兰州理工大学,2017.9许新猴,赵小强,翟文刚,等.基于ANSYS的D500钢激光焊接温度场数值模拟J.精密成形工程,2015,7(3):48-51.10付建科,雷小平,卢泽民.基于ANSYS的焊接方法对焊接应力的影响研究J.热加工工艺,2010,39(15):136-138.（编辑邵明涛）作者简介：刘奇（1993）,男,硕士,助教,研究方向为机械零部件可靠性分析、机械设备故障诊断。收稿日期：2022-08-23图 13路径 2 上各节点选取图 14残余应力沿路径 2 分布曲线33