Модуль трассировка частиц

Анализируйте движение частиц с помощью модуля Трассировка частиц

Частицы инжектируются из системы сопловых отверстий в камеру химического осаждения из газовой фазы, при этом угол раствора конуса составляет 15 градусов. Сначала их инерции хватает для движения по исходной траектории, но затем побеждает влекущая сила, и частицы начинают перемещаться в потоке газа, вытекающего из выходного отверстия.

Мощные инструменты обработки

Мощные инструменты обработки позволяют визуализировать сложные расчетные траектории частиц. Траектории частиц могут быть представлены в виде точек, хвостов комет, линий или трубок. Несложно создавать анимированные изображения и просматривать их прямо в графическом пользовательском интерфейсе либо экспортировать их в файл. Траектории частиц можно окрашивать, используя произвольные выражения, которые могут зависеть от частиц, полей и любых их комбинаций. Если моделируются траектории большого числа частиц, то можно отфильтровывать траектории определенных частиц, используя логическое выражение. Групповое поведение частиц можно проецировать на меньший размер и визуализировать его с помощью карт Пуанкаре или фазовых портретов. Кроме того, можно выполнять операции с частицами, чтобы рассчитать и показать на графике максимальное, минимальное и среднее значения или интеграл некоторого параметра по всем частицам. Данные о траектории частиц можно получить и записать в таблицу результатов или экспортировать в файл. Распределение частиц по скорости и энергии можно представить в виде одномерных и двумерных гистограмм.

Заряженные частицы в электромагнитных полях

В электромагнитных полях заряженные частицы, например, электроны, ионы или небольшие кластеры ионов подвергаются воздействию трех основных сил:

• Электрической силы, возникающей при наличии градиента электрического потенциала или изменяющегося во времени потенциала вектора напряженности магнитного поля. Отрицательно заряженные частицы движутся в направлении, противоположном вектору напряженности электрического поля, а положительно заряженные – в направлении, совпадающем с направлением электрического поля. Электрическая сила совершает работу над этими частицами.
• Магнитной силы, которая не совершает работы над заряженными частицами, но способна существенно изменять их траектории. Магнитная сила часто приводит к появлению «бананообразных» орбит заряженных частиц, по которым они вращаются вокруг силовых линий магнитного поля, причем расстояние частицы от центра орбиты пропорционально ее массе.
• Сил столкновения, возникающих при столкновении заряженных частиц с молекулами фонового газа. Чем выше давление фонового газа, тем важнее роль сил столкновения.

Если численная плотность заряженных частиц меньше примерно 10¹³ 1/м³, то влиянием частиц на поля можно пренебречь. Это позволяет рассчитывать характеристики полей независимо от траекторий частиц. Затем эти поля используются для расчета электрических сил, магнитных сил, а также сил столкновения частиц. Тот факт, что траектории частиц можно рассчитать отдельно, позволяет использовать эффективные итеративные решатели, не требующие мощных вычислительных ресурсов.

Расширение функциональности среды COMSOL с помощью трассировки частиц

Модуль Particle Tracing (Трассировка частиц) расширяет функциональность среды COMSOL для расчета траектории частиц в жидкости или в электромагнитном поле, включая взаимодействие частиц между собой, взаимодействие частиц с текущей средой и взаимодействие частиц с полем. Модуль Particle Tracing легко интегрируется с любым специализированным модулем для расчета полей, управляющих движением частиц. Частицы могут иметь конечную массу или нулевую массу. Движение управляется законами классической механики (описываемой законами Ньютона, лагранжианом или гамильтонианом). Граничные условия могут налагаться на движения частиц на стенках системы, они позволяют частицам «заморживаться» на стенке, прилипать, отскакивать, исчезать или диффузно отражаться от нее. Кроме того, можно задать пользовательские граничные условия на стенке, в которых скорость частицы после столкновения обычно зависит от скорости частицы до столкновения и вектора нормали к стенке. В расчет можно включить формирование вторичных частиц, образовавшихся при ударе первичной частицы о стенку. Количество вторичных частиц и их распределение по скоростям могут зависеть от скорости первичной частицы и геометрии стенки. Кроме того, частицы могут прилипать к стенке согласно произвольному закону или с определенной вероятностью. В модель можно ввести дополнительные зависимые переменные, позволяющие рассчитать массу, температуру или спин частиц.

Частицы могут равномерно испускаться на границах и внутри областей в соответствии с базовой сеткой, а также в соответствии с параметрами сетки или произвольным выражением. Имеется широкий выбор заранее заданных сил для конкретного описания взаимодействия частиц и полей. Кроме того, можно добавлять произвольные силы, определяемые подходящим выражением. Кроме того, можно моделировать двустороннее взаимодействие между частицами и полями, а также взаимодействие частиц между собой.

Решение задачи трассировки частиц

Для каждой частицы решается обыкновенного дифференциального уравнения для каждой компоненты вектора положения. Это означает, что в трехмерной модели для каждой частицы решается три обыкновенных дифференциальных уравнения, в двумерной модели – два уравнения. На каждом шаге для текущего положения частицы определяются создаваемые рассчитанными полями силы, действующие на каждую частицу. Если в модель включены силы взаимодействия между частицами, то они прибавляются к суммарной силе. После этого обновляется положение частицы, и процесс повторяется до достижения заданного времени моделирования. Поскольку в модуле Particle Tracing (Трассировка частиц) используются самые общие формулы для расчета траекторий частиц, интерфейсы трассировки частиц можно использовать для моделирования движения заряженных частиц в электромагнитных полях, движения планет и галактик, а также движения частиц в ламинарных, турбулентных и двухфазных жидкостях.

Изучение трассировки частиц в жидкости

Движение частиц микроскопических или макроскопических размеров обычно определяется прежде всего влекущей силой потока, воздействующей на частицы, погруженные в жидкость. В системе имеется две фазы: дискретная фаза, состоящая из пузырьков, частиц или капель, и непрерывная фаза, в которую погружены частицы. Чтобы описанный подход к трассировке частиц был верен, система должна представлять собой разбавленный или дисперсный поток. Это значит, что объемная доля дискретной фазы должна быть намного меньше, чем объемная доля непрерывной фазы (обычно меньше 1 %). Если объемная доля частиц не мала, то жидкая система классифицируется как плотный поток, и необходимо использовать иной подход к моделированию. Важно понимать, что в подходе, основанном на трассировке частиц, предполагается, что частицы не смещают жидкость, в которой они находятся.

В разреженном потоке непрерывная фаза влияет на движение частиц, но не наоборот. Это часто называют «односторонним взаимодействием». При моделировании таких систем обычно более эффективным оказывается сначала поиск решения для непрерывной фазы, а затем расчет траекторий дисперсных фаз.

В разбавленном потоке непрерывная фаза влияет на движение частиц, а движение частиц, в свою очередь, нарушает непрерывную фазу. Это часто называют «двусторонним взаимодействием». Для моделирования этого эффекта необходимо производить расчет одновременно для непрерывной и дисперсной фаз. Поэтому для расчета разбавленного потока требуется значительно больше вычислительных ресурсов, чем для разреженного потока.

Ключевые особенности

• Интерфейс Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц) для моделирования траекторий ионов и электронов в электрическом и магнитном полях, включая упругие соударения в окружающем газе
• Интерфейс Particle Tracing for Fluid Flow (Трассировка частиц в потоке текучей среды) для моделирования движения микроскопических и макроскопических частиц в текучей среде
• Математический интерфейс трассировки частиц, дающий полную свободу относительно решаемых уравнений
• Формулы для безмассовых частиц, уравнения Ньютона, Лагранжа и Гамильтона
• Предварительно заданные силы для облегчения построения модели
  • Электрическая
  • Магнитная
  • Столкновения
  • Торможения
  • Броуновская
  • Термофоретическая
  • Гравитационная
  • Акустико-форетическеая
  • Диэлектрофоретическая
  • Магнитофоретическая

• Силы, задаваемые пользователем
• Взаимодействие частиц с полем
• Взаимодействие между частицами
• Повторная инициализация вектора скорости частиц на основании некоторых логических выражений позволяет строить модели общего назначения методом Монте-Карло
• Механизмы высвобождения частиц
  • На основании сетки, где в каждом элементе сетки высвобождается определенное количество частиц
  • Равномерное распределение частиц на заданной границе
  • На основании выражения, допускающего увеличение плотности частиц в определенных местах
  • Сетка
• Граничные условия
  • Заморозка
  • Прилипание
  • Отскок
  • Исчезновение
  • Общее отражение
  • Диффузное рассеяние
  • Вторичная эмиссия
  • Вероятности прилипания

• Постобработка
  • Построение траекторий частиц (линии, трубки, точки и хвосты комет)
  • Цветные траектории с произвольными выражениями
  • Фильтрация частиц для построения графиков
  • Анимация
  • Сечения Пуанкаре и карты
  • Фазовые портреты
  • Расчет максимальных, минимальных, средних и суммарных значений по всем частицам
  • Запись данных по частицам в таблицы
  • Экспорт данных о частицах
  • Одномерные и двумерные гистограммы
  • Вероятности передачи s* Добавьте дополнительные зависимые переменные для расчета массы частицы, спина и т.п.
  • Полностью совместимо с движущейся сеткой

---

Область применения

• Массовая спектрометрия
• Физика лучей
• Броуновское движение
• Ионная оптика
• Спектрометрия подвижности ионов

• Визуализация потока текучей среды
• Аэрозоли
• Динамика аэрозолей
• Смесители
• Вторичная эмиссия

• Разделение и фильтрация
• Визуализация функции распределения ионной энергии
• Акустофорез
• Классическая механика