粒子追跡モジュール

粒子と場の間の連成を調査するソフトウェア

粒子追跡モジュール

粒子は、噴射ノズルのシステムから円錐角 15 度で CVD チャンバーに吹き込まれます。最初は元の軌道に沿った十分な慣性がありますが、最終的には抗力が打ち勝ち、粒子は排気口から出る背景気体に合流します。

粒子追跡による COMSOL 環境の機能拡張

粒子追跡モジュールは、粒子-粒子、流体-粒子、粒子-場の連成など、流体内や電磁場の粒子の軌道を計算するCOMSOL 環境の機能を拡張します。粒子の運動を駆動する場の計算のために、用途固有のモジュールは、粒子追跡モジュールとシームレスに組み合わせることができます。粒子には質量を設定してもしなくてかまいません。動きは、古典力学のニュートン、ラグランジュ、またはハミルトンの定式化で定義できます。ジオメトリの壁の粒子に境界条件を適用すると、粒子を停止、固着、跳ね返り、消去、または散在的に反射させることができます。ユーザー定義の壁条件も指定できます。ここでは、衝突後の粒子速度が通常、飛来粒子の速度の関数になり、壁は法線ベクトルになります。飛来粒子が壁に衝突したときに放たれた二次粒子も取り込むことができます。二次粒子の数とその速度分布関数は、一次粒子の速度と壁ジオメトリの関数になります。粒子は、任意の式または付着確率に従って壁に付着することもあります。追加の依存変数をモデルに追加すると、粒子質量、温度、あるいは回転などの数量を計算できます。

粒子は、格子の定義または任意の式のとおり、基本メッシュに従って境界と領域で一様に放出できます。粒子と場との相互作用の具体的な内容は、さまざまな定義済みの力で記述できます。適切な式で定義した任意の力を追加できます。双方向連成を粒子と場の間の双方向連成をモデル化できます (粒子-場連成)。同じく、粒子同士の粒子連成もモデル化できます (粒子-粒子連成)。


動画

  • 静止ミキサー (別名モーションレスミキサーまたはインラインミキサー) は、汲み上げられた流体がその中を流れるときにそれ混合する固定ブレード付きのパイプです。このタイプの混合技法は、層流混合では非常に効果的ですが、これはこの流動の枠組みにおける圧力損失が小さいためです。例は、ねじれブレードがある静止ミキサーです。混合性能は、ミキサーを流れる懸濁粒子の軌道を計算して評価します。このモデルでは、流量インタフェースの層流と粒子トレーシングを使用します。 静止ミキサー (別名モーションレスミキサーまたはインラインミキサー) は、汲み上げられた流体がその中を流れるときにそれ混合する固定ブレード付きのパイプです。このタイプの混合技法は、層流混合では非常に効果的ですが、これはこの流動の枠組みにおける圧力損失が小さいためです。例は、ねじれブレードがある静止ミキサーです。混合性能は、ミキサーを流れる懸濁粒子の軌道を計算して評価します。このモデルでは、流量インタフェースの層流と粒子トレーシングを使用します。
  • このモデルは、回転マイクロミキサー内の粒子の混合をシミュレートします。ミキサーには、3 つに分かれた入口と 1 つの出口があります。回転機構インタフェースは、流量のモデル化に使用し、流量インタフェースの粒子トレーシングで粒子軌道を計算します。 このモデルは、回転マイクロミキサー内の粒子の混合をシミュレートします。ミキサーには、3 つに分かれた入口と 1 つの出口があります。回転機構インタフェースは、流量のモデル化に使用し、流量インタフェースの粒子トレーシングで粒子軌道を計算します。
  • このモデルは光電子増倍管における電子の指数関数的な増加をシミュレートします。 このモデルは光電子増倍管における電子の指数関数的な増加をシミュレートします。

事例紹介

  • 走査型電子顕微鏡は、高エネルギー電子ビームをターゲットに走査して画像をサンプリングします。続く電子連成により、サンプルの表面トポグラフィーに関する情報をおさめた二次電子や後方散乱電子などの信号を取得します。電磁レンズで、サンプル表面に幅約 10 nm にこの電子ビームの焦点を絞ります。このモデルには、粒子トレーシングモジュールと AC/DC モジュールの両方が必要です。 走査型電子顕微鏡は、高エネルギー電子ビームをターゲットに走査して画像をサンプリングします。続く電子連成により、サンプルの表面トポグラフィーに関する情報をおさめた二次電子や後方散乱電子などの信号を取得します。電磁レンズで、サンプル表面に幅約 10 nm にこの電子ビームの焦点を絞ります。このモデルには、粒子トレーシングモジュールと AC/DC モジュールの両方が必要です。
  • 四重極質量分析計の主要構成要素は、電荷質量比の異なるイオンをフィルター除去する質量フィルターです。四重極質量フィルターについては長年研究が重ねられ、物理特性と最適な設計が十分に検討されてきました。実際の四重極質量分析計では、質量フィルターの入口と出口の両方に末端場があります。これらの末端場は、質量フィルターを通過する特定のイオンの通過確率を決めるに当たって重要な役割を果たします。このモデルでは、四重極質量分析計で末端場の効果とともにイオン軌道を計算します。 四重極質量分析計の主要構成要素は、電荷質量比の異なるイオンをフィルター除去する質量フィルターです。四重極質量フィルターについては長年研究が重ねられ、物理特性と最適な設計が十分に検討されてきました。実際の四重極質量分析計では、質量フィルターの入口と出口の両方に末端場があります。これらの末端場は、質量フィルターを通過する特定のイオンの通過確率を決めるに当たって重要な役割を果たします。このモデルでは、四重極質量分析計で末端場の効果とともにイオン軌道を計算します。

強力な処理ツール

強力な処理ツールにより、計算上の粒子軌道を高度に視覚化できます。粒子軌道は、点、彗星の尾、線、またはチューブで表現できます。動画は、簡単に作成でき、グラフィカルユーザーインタフェース (GUI) による直接表示や、ファイルへのエクスポートができます。粒子の軌道は、粒子、場、あるいはその両者の組み合わせによる任意の式で色分けできます。多くの粒子の軌道をシミュレートするときは、論理式に基づいて特定の粒子軌道をフィルターで除外することができます。粒子のグループの挙動は、低次元で投影して、ポアンカレ写像または相図で視覚化できます。さらに、粒子を操作して、すべての粒子に対する何らかの数量の最大、最小、平均、または積分をプロットできます。粒子軌道データそのものを評価して、結果表に書き込むことや、ファイルへのエクスポートができます。粒子の速度とエネルギー分布は、1 次元または 2 次元のヒストグラムで視覚化できます。

電界と磁場における荷電粒子

電子、個々のイオン、あるいは小さなイオンクラスタは、電界と磁場で 3 つの主な力の影響を受けます。

  • 電気力は電位の勾配、あるいは時間で変化する磁気ベクトルポテンシャルで発生します。負電荷の粒子は、電界とは逆方向に移動し、正電荷の粒子は電界と同じ方向に移動します。これらの粒子に電気力は働きかけません。
  • 磁力は荷電粒子には働きかけませんが、その軌道を大きき変化させます。磁力があると荷電粒子は通常「バナナ」軌道を描き、磁力線の周囲にその質量と比例した距離の軌道になります。
  • 衝突力は荷電粒子が背景気体と衝突すると発生します。背景圧力が高ければ高いほど、衝突力の重要性が増します。

荷電種の数密度が約 1013 1/m3 の場合、その場の粒子による影響は、無視できます。これにより、粒子軌道から無関係に場を計算できます。次に場で粒子の電気力、磁力、衝突力を計算します。粒子軌道は、そのスタディだけで計算できるため、効率的で、計算上コストのかからない繰り返しソルバを使用できます。

粒子追跡による求解

粒子ごとに、常微分方程式で位置ベクトルの各成分を求めます。すなわち、粒子ごとに 3 次元で 3 つ、2 次元で 2 つの常微分方程式を解きます。時間ステップごとに、粒子に働きかける力を現在の粒子の位置の計算上の場から問い合わせます。粒子-粒子連成力をモデルに組み込むと、それらは合力に追加されます。粒子の位置は更新され、シミュレーションの指定終了時刻になるまでプロセスは繰り返します。粒子追跡モジュールは非常に汎用的な定式化で粒子軌道を計算するため、電磁場の荷電粒子運動、大規模な惑星の動きや銀河の動き、層流の粒子運動、乱流、二相流体システムなどのモデル化に粒子追跡インターフェースを使用できます。

流体における粒子追跡解析

微視的な粒子と肉眼で見える大きさの粒子の動きは、流体に浸した粒子に働く抗力の影響を受けます。システムには、泡、粒子、または液滴からなる離散相と、粒子が浸された連続相という 2 つの相があります。粒子の追跡手法を有効にするため、システムを希釈流か分散流にします。すなわち、離散相の体積分率を連続相の体積分率よりはるかに小さく設定します (通常は 1% 未満)。粒子の体積分率が小さくなければ、流体システムは高密度流に分類され、別のモデル化手法が必要になります。粒子追跡手法では、粒子が占有する流体に取って代わらないことが前提です。

少量の流れでは、連続相で粒子の動きに影響が出ますが、その逆はありません。これを、通常「一方向性連成」と呼びます。このようなシステムのモデル化では、先に連続相を解決し、次に分散相の軌道を計算するのが一般には最も効率的です。

低濃度流では、連続相は、粒子の動きを左右し、一方、粒子運動は連続相を邪魔します。これを、一般には「双方向連成」と呼びます。この影響をモデル化するには、連続相と分散相を同時に計算する必要があります。したがって、計算需要は、低濃度流のモデル化では、分散流のモデル化よりもはるかに高くなります。

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