粒子追跡モジュールアップデート

粒子追跡モジュールのユーザー向けに, COMSOL Multiphysics® バージョン5.6では, 液滴の蒸発, 粒子材料特性を定義するための材料ノードのより簡単な使用, および粘性流体中の小さな粒子をモデル化するための新しいニュートン中間定式化のための専用機能が含まれています. 粒子追跡機能の詳細については, 以下をご覧ください.

液滴の蒸発

専用の液滴蒸発ノードを使用して, モデル粒子を周囲のガスで蒸発する液滴として扱うことができるようになりました. 蒸発速度は, 液滴表面の飽和蒸気圧と液滴蒸気の周囲のガスへの拡散係数に基づいて計算されます. 液滴蒸発ノードは, 簡略化されたマクスウェル拡散モデル, より詳細なStefan–Fuchsモデル, および蒸発定数を直接指定するオプションをサポートしています.

通常, 蒸発する液滴は, 周囲の気体の温度によって, 定常状態の温度(湿球温度と呼ばれます)に近づきます. 定常状態の温度がわかっている場合は, 直接指定できます. または, Stefan–Fuchs蒸発モデルを使用して粒子温度を解く場合は, 液滴の加熱期間と定常状態の蒸発をモデル化することができます. これは, 周囲の空気が放出される液滴よりもはるかに高温である場合に役立ちます. これは, 加熱時間が液滴の総寿命のかなりの部分を占める可能性があるためです.

Water droplets dispersing into the surrounding air modeled inside a box, where larger droplets are red and smaller droplets are blue. 水滴が周囲の空気に運び去られる際の水滴の蒸発. 粒子サイズと色の表現は, 粒子の質量に比例します.

材料からの粒子特性

流体の流れの粒子追跡インターフェースで粒子の材料特性を直接指定する代わりに, 材料ノードから取得できるようになりました. この変更により, 材料ライブラリを粒子追跡モデルでより効果的に使用できるようになります. また, 複数の異なる力が同じ材料特性を使用する場合の冗長性がなくなります. 1回特性を指定するだけで済みます.

デフォルトでは, 全ての流体の流れの粒子追跡モデルでは, 粒子密度を指定する必要があります. モデルに追加される追加の力やその他の機能によっては, その他の材料特性も必要になる場合があります. 例えば, 誘電泳動力ドメイン条件には, 粒子の比誘電率と電気伝導率が必要です. これらは, 粒子密度の定義に使用されたものと同じ材料から自動的に取得されます. 材料ライブラリから取得する代わりに, 材料特性をユーザー定義にするオプションもあります. 新しい液滴蒸発ノードを使用してモデル粒子を蒸発液滴として扱う場合, 別の材料ノードから気相の特性を取得することもできます.

The COMSOL Multiphysics version 5.6 UI showing the Particle Properties settings for a laminar mixer model, which is shown in the Graphics window. 粒子密度がビルトイン材料特性の石英ガラスデータから取得される一般的な使用法

流体中の小さな粒子を追跡するための新しい定式化

粒子追跡 (流体流れ) インターフェースで, 新しい粒子追跡定式化が利用可能となりました. ニュートン慣性項の定式化と呼ばれ, 抗力が粒子にかかる他のすべての力と釣り合うと仮定しながら, 粒子の位置の1次方程式を解きます. これは, 粒子が最初に流体に挿入されたときの粒子加速を無視するということです.

通常, 流体の粒子加速を求解するために必要な時間ステップサイズは, 粒子径の2乗に比例します. その結果, 非常に小さな粒子(流体によっては数十ミクロン以下)の完全な慣性処理に必要な時間ステップは非常に小さく, スタディの実行がかなり遅くなる可能性があります. 新しいニュートン慣性項の定式化により, 追加の数値的不安定性を発生させることなく, はるかに大きな時間ステップを実行できます. この新機能は Dielectrophoretic Separation of Platelets from Red Blood CellsParticle Trajectories in a Laminar Static Mixer モデルの中に使われています.

The COMSOL Multiphysics version 5.6 UI showing the Particle Tracing for Fluid Flow interface settings with the Newtonian, ignore inertial terms formulation selected and a laminar mixer model in the Graphics window. ニュートン (慣性項を無視) の定式化を選択すると表示されるフィジックスインターフェースの設定と方程式.

数密度の計算

新しい数密度計算機能を使用することで, シミュレーションドメイン内の粒子の数密度を計算できるようになりました. 密度は各ドメインメッシュ要素で平均化されます.

An RF coupler model with gas molecules shown as black spheres and the number density visualized as a slice plot in red-to-green color gradient. RFカプラー内のガス分子. 数密度は対数目盛でジオメトリの中央を通るスライスプロットとして表示されます. 数密度が最も高いのは, 分子がジオメトリに入る左端(赤)です.

改善された対流加熱および冷却

粒子温度を解く場合, 対流加熱または対流冷却を粒子に適用する2つの異なる方法があります. 1つ目は, 熱伝達係数hを直接指定することです. または, 粒子のヌセルト数, Nu, および流体の熱伝導率kを指定することもできます. その後, 熱伝達係数が自動的に計算されます.

質量, 温度, およびその他の変数のランダムサンプリング

粒子の補助従属変数を初期化する場合, それらの初期値を決定論的にサンプリングするか, または, COMSOL Multiphysics® バージョン 5.6の新機能としてランダムにサンプリングすることもできます. ランダムにサンプリングする場合, 組み込みの正規分布, 対数正規分布, または一様分布からサンプリングできます. 流体の流れの粒子追跡インターフェースでは, これらの分布から初期粒子の質量または直径をサンプリングすることもできます. 直径をサンプリングする場合, エアロゾル粒子のサイズ分布を記述する一般的な方法であるSauter 平均直径を入力するための組み込みオプションがあります. Sauter 平均粒径は, 粒子サイズ分布を記述するための他の新しい変数とともに, 後処理でも利用できます.

An array of red and blue circles of varying sizes and hues, representing particles. 粒子は対数正規直径分布で放出されます. このような分布は以前のバージョンのソフトウェアよりも COMSOL Multiphysics® バージョン5.6で設定する方がはるかに簡単です.


一様分布からのより簡単なサンプリング

粒子の補助従属変数を初期化するときに, 初期値が一様分布からサンプリングされる場合は, 分布の最大値と最小値を指定できるようになりました. 以前は, 平均と標準偏差を指定する必要がありました. これは, 粒子追跡 (流体流れ) インターフェースの粒子の質量と直径の初期値にも当てはまります.

空間電荷制限放出マルチフィジックス結合の改善

荷電粒子追跡インターフェースで使用される空間電荷制限放出マルチフィジックスカップリングノードは, 大幅な安定性の改善とパフォーマンスの向上をはかりました. この機能は, 以前のバージョンと比較して自由度が少なく, この機能の精度は2D軸対称モデルでも大幅に向上しています. この機能は Pierce Electron Gun and Child's Law Benchmark モデルで確認できます.

熱再放出の速度オフセット

分子を表面に吸着させ, 熱速度分布を使用してシミュレーションドメインに放出する熱再放出ノードにより, 壁速度を設定できるようになりました. 回転座標系で粒子追跡する場合, 壁の速度を参照座標系の速度でオフセットするオプションが組み込まれています. これにより, 慣性(または実験室)フレームに対して壁が静止します. この機能は, 更新された Turbomolecular Pump モデルに使われています.

イオン化ノードの改善

荷電粒子追跡の衝突ノードインターフェースに追加されたイオン化ノードが改善されました. 各イオン化反応の後に1次電子, 2次電子, およびイオン化種が放出されるかどうかを個別に制御できるようになりまし.

粒子衝突のアキュムレーター

荷電粒子追跡インターフェースを使用するモンテカルロ衝突モデルで, 粒子が背景気体と衝突するたびに寄与するドメイン変数(累積変数と呼ばれる)を定義できるようになりました. これにより, シミュレーションドメイン全体で衝突の数密度を追跡できます.

A model of a particle collision accumulator, with a number of gray squares and a rainbow line moving through them. 色付きの線は, 希薄な背景気体中の粒子を示しています. その色の表現は, 衝突したガス分子の数に比例しています. 衝突が発生するたびに, 発生したメッシュ要素に蓄積された変数の値が増加します. これは, グレースケールで示されます.

新しく更新されたチュートリアルモデル

COMSOL Multiphysics® バージョン5.6では新しい「ピアス電子銃」チュートリアルと, 真空系のモデリング用に大幅に改善された「ターボ分子ポンプ」チュートリアルが加わりました.

ピアス電子銃

A model of a Pierce electron gun with electrons shown in red, magenta, turquoise, and blue against a gray background with black lines. ピアス電子銃の電子は, 陰極(下)から始まり, 陽極(上)に到達すると加速します. 背景の等高線(ビーム内で完全に水平)は電位を示し, 流線は電界の方向を示します.

アプリケーションライブラリタイトル:
pierce_electron_gun
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ターボ分子ポンプ

A 1D plot showing the maximum compression rate in a blue dotted line and maximum speed factor in a red dotted line. ポンプの最大圧縮比と速度係数を示す更新されたターボ分子ポンプモデル. これは,更新されたバージョンの文献とより一致しています.

アプリケーションライブラリタイトル:
turbomolecular_pump
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