Contents
Part I Introduction and Background
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Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Droplet Microfluidic Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Hardware and Software Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Part II Design Methods for Droplet Microfluidic Networks in
General
3
Simulating Droplet Microfluidic Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Abstraction Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 One-Dimensional Analysis Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Volumetric Flow, Pressure, and Fluidic Resistance . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Flow Distribution in Droplet Microfluidic Networks . . . . . . . . 26
3.3 Advanced Simulation Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Basic Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Unsupported Phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3 Simulation Support for New Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 Overall Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.5 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Case Study ............................................................. 38
3.4.1 Considered Droplet Microfluidic Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.2 Current Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3 Improved Design Process Using Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Conclusion ............................................................. 48
vii
Part I Introduction and Background
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Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.1 Microfluidics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2 Droplet Microfluidic Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Hardware and Software Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Part II Design Methods for Droplet Microfluidic Networks in
General
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Simulating Droplet Microfluidic Networks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.1 Abstraction Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2 One-Dimensional Analysis Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.1 Volumetric Flow, Pressure, and Fluidic Resistance . . . . . . . . . . 24
3.2.2 Flow Distribution in Droplet Microfluidic Networks . . . . . . . . 26
3.3 Advanced Simulation Framework . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
3.3.1 Basic Working Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 Unsupported Phenomena. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.3.3 Simulation Support for New Phenomena . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.3.4 Overall Algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3.5 Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.4 Case Study ............................................................. 38
3.4.1 Considered Droplet Microfluidic Network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.4.2 Current Design Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.4.3 Improved Design Process Using Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.5 Conclusion ............................................................. 48
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