粒子追跡モジュールアップデート

COMSOL Multiphysics® バージョン 5.3a の粒子追跡モジュールでは, 衝突粒子, ランダム粒子出射時刻のためのヌル衝突法が新しく導入され, 新しいベンチマークチュートリアルモデルが加わりました. 詳細は以下をご覧ください.

ヌル衝突法

「荷電粒子追跡」インターフェースの衝突機能は, イオン, 電子, 希ガス分子の間の相互作用のモンテカルロモデリングのためのヌル衝突法をサポートするようになりました. ヌル衝突法ではソルバーがとる1つの時間ステップ内で各粒子の複数の衝突をモデリングすることができます. また, タイムステップ内の衝突頻度の変動をある程度説明することもできます. この方法は背景気体の熱速度よりもはるかに速い速度を持つ高エネルギー粒子のシミュレーションに向いています.


A plot from the Ion Drift Velocity Benchmark tutorial model. 異なる手動時間ステップサイズに対するイオンドリフト速度ベンチマークモデルの相対誤差. この例では, ヌル衝突法は一貫してより正確な衝突検出アルゴリズムですが, その差は大きなタイムステップで最も顕著です. 異なる手動時間ステップサイズに対するイオンドリフト速度ベンチマークモデルの相対誤差. この例では, ヌル衝突法は一貫してより正確な衝突検出アルゴリズムですが, その差は大きなタイムステップで最も顕著です.

ランダム粒子出射時刻

粒子出射時刻のリストを指定することに加えて, ランダム, または, 決定論的な粒子出射時刻の均一分布, 正規分布, または対数正規分布を選択できるようになりました. 例えば, 正規分布を使うと, 平均出射時刻に近いほど多くの粒子を出射し, 平均出射時刻からはるかに離れた時間値では粒子をより少なくするということが可能になります.


 


粒子は出射時刻の正規分布のために入口のランダムな場所で放出されます. 色は平均出射時刻からの時間を表します (赤色粒子は平均放出時間に近づけて出射され, 青色粒子は平均から離れて放出されます). 予想通り平均出射時刻の近くでより多くの粒子が放出されます.

2次出射のための消失粒子の再利用

2次粒子出射モデルでは, スタディの初期に消えた粒子からの自由度を再利用することができます. これにより, 粒子が迅速に連続して何度も作成され消滅するモデルでは, かなりの量のメモリが節約できます.

よりフレキシブルな周期電磁力

周期的ではあるけれど高調波ではない電磁気力を定義できるようになりました. 「電気力」, または「磁気力」ノードの設定で, 「場の時間依存性」リストから「周期的」を選択します. この新しい機能により, 過渡シミュレーションを実行して1つの期間にわたって電場または磁場を計算すると. 任意の期間にわたって場内の粒子をを簡単に追跡することができます.


A plot from the CCP Ion Energy Distribution Function tutorial model.

プラズマシミュレーションでは, 電位はしばしば周期的であるが時間調和ではありません. 上記はプラズマモジュールを必要とするチュートリアルの CCP イオンエネルギー分布関数と, 比較のための時間調和ポテンシャルです. 周期的な電気力および磁気力に対する新しい設定は, そのような一般的な周期的な場とより適合します.

プラズマシミュレーションでは, 電位はしばしば周期的であるが時間調和ではありません. 上記はプラズマモジュールを必要とするチュートリアルの CCP イオンエネルギー分布関数と, 比較のための時間調和ポテンシャルです. 周期的な電気力および磁気力に対する新しい設定は, そのような一般的な周期的な場とより適合します.

アプリケーションライブラリのパス:
Plasma_Module/Capacitively_Coupled_Plasmas/ccp_ion_energy_distribution_function

境界からの粒子速度の熱分布

壁の温度に基づいた熱分布から速度をサンプリングすることで, 粒子を放出したり, 境界で粒子速度を再初期化することができます. 拡散反射や鏡面反射などの他の利用可能な粒子壁相互作用とは異なり, 新しい「熱的再出射」境界条件は, 速度ベクトルの方向だけでなく, 分布から粒子速度をサンプリングします.

この機能には2つのバリエーションがあります. 「流入」機能で使用可能な「熱的速度分布」を使用して分布から放出された粒子速度をサンプリングします. あるいは, 「熱的再出射」壁面条件を使用して, 境界に吸着した分子をモデリングし, 表面温度に基づいて異なる速度でドメインに直ちに再注入することができます.

 


表面で吸着と再放出する分子のアニメーション.

円筒およびヘキサ極座標でのグリッドベース出射

「グリッドから出射」機能を使用して, 円筒, または, ヘキサ極グリッドの点から粒子を出射することができるようになりました. 円柱分布の中心と向き, 径位置の数, 角度の数を制御できます.

Three cylindrical grid-based distributions. グリッド点のリング間 (左), 均一な空間数密度に近似するようにスケーリングされたギャップ (中央), またはユーザー定義の半径 (右). グリッド点のリング間 (左), 均一な空間数密度に近似するようにスケーリングされたギャップ (中央), またはユーザー定義の半径 (右).
Three hexapolar grid-based distributions.

ヘキサ極グリッド:2, 5, 10 リング (左から右へ).

ヘキサ極グリッド:2, 5, 10 リング (左から右へ).

新しいベンチマーク:乱流流路流れの粒子分散

このチュートリアルモデルは粒子が乱流流路の流れを通過する際に発生する現象のいくつかを示します. 流体の速度はレイノルズ平均ナビエ・ストークス (RANS) モデルを使用して計算され, その結果, 流れの個々の渦は明示的にモデル化されません. このような流れ場を粒子追跡シミュレーションと連成し, 乱流分散を考慮するために, 連続ランダムウォーク (CRW)モデルを使います. CRWモデルは流体の乱流運動エネルギー, および, 乱流散逸率に基づいて, ランダムな方向の粒子への抗力を摂動させます.

この例は壁ドメイン内の不均質で等方性の乱気流が粒子の動きにどのように影響するかを示します. 十分に高い慣性の粒子は流れ中の異なる渦の間を交差する能力のために, 壁の近くに集まる傾向があります. 粒子の慣性が流路の下流のパーティクルの分布にどのように影響するかを示すために, パラメトリックスウィープをストークス数の6つの異なる値に亘って実行します. 結果は公開された文献から直接数値シミュレーション (DNS) のデータと比較します.

Six histograms from the Particle Dispersion in a Turbulent Channel Flow benchmark model.

粘度単位での粒子位置のヒストグラム. y+ の値が小さい方が流路壁に近い位置に対応します.

粘度単位での粒子位置のヒストグラム. y+ の値が小さい方が流路壁に近い位置に対応します.

アプリケーションライブラリへのパス
Particle_Tracing_Module/Fluid_Flow/flow_channel_turbulent_dispersion