分子流模块

模拟真空系统中的低压气体流动

分子流模块

在离子注入器中,沿离子束的分子平均数密度用作评估设计的品质参数。它必须通过硅片绕轴旋转角度的函数的形式计算。

精确仿真低压低速气体流动

分子流模块提供了一些先前不具备的仿真功能,用于复杂几何结构中的低压低速气体的精确模拟。它非常适合于真空系统的仿真,包括在半导体加工、粒子加速器和质谱仪中的系统。此外,还可以仿真微小孔道内的流体,例如,页岩气勘探和纳米多孔材料中的流动。

分子流模块使用快速角系数法来仿真稳态自由分子流动。您可以模拟等温和非等温分子流动,并自动计算气体分子的热通量贡献。模块中也包含了离散速度法,用于过渡流的仿真。

模拟自由分子流和过渡流的两种方法

分子流模块提供了两种替代方法,使您可以采用易控且精确方式求解低流和低压流动。模块提供了两个特定的物理接口,它们通过图形用户界面 (GUI) 配置模型输入,完成整个方程组的设定:


自由分子流

自由分子流接口使用角系数法对 Knudsen 数大于 10 的流体进行模拟。该物理接口可以不必求解几何体中的物理场,而只需对表面进行网格剖分。假定几何结构的所有表面均发生完全漫散射(总调节)和发射,并通过对从某个表面视线内所有其他表面到达该表面的通量进行积分而计算流量。这意味着只有几何表面上存在因变量,求解过程比 DSMC 方法快得多。此外,它不会受统计分散问题影响。自由分子流接口中还包含了重建数密度的方法。

过渡流

过渡流接口采用 Lattice Boltzmann/离散速度法的修正形式来求解 Boltzmann BGK 方程,以求解过渡流。不同于 DSMC 方法,这种方法的求解不会受统计噪声影响。此外,还假定气体分子在所有表面上发生漫反射,来自所有方向的分子都在表面上被有效地吸收,随后按照 Knudsen 定律重新发射。在该接口中,通过对模型几何进行网格剖分来离散化物理空间,并可以选择速度离散阶次,这将提供表示速度空间网格的因变量。网格和离散均可以独立地进行调整,以确保在物理和速度空间中解决问题。

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  • 该模型使用自由分子流接口中的角系数法和利用数学粒子追踪接口建立的 Monte Carlo 法(需要粒子追踪模块),计算通过 RF 耦合器的传输概率。 该模型使用自由分子流接口中的角系数法和利用数学粒子追踪接口建立的 Monte Carlo 法(需要粒子追踪模块),计算通过 RF 耦合器的传输概率。

快速且精确的优化仿真方法

低压下的气体不能使用常规的计算流体力学模型进行模拟。这是因为当气体分子的平均自由程变得与流动尺度相当时,动力学效应会变得非常重要。流体的类型通过 Knudsen 数 (Kn) 定量地分类,Knudsen 数表示分子平均自由程与气体的流体域尺度大小之比:

流体类型 Knudsen 数
Continuum flow Kn<0.01
Slip flow 0.01<Kn<0.1
Transitional flow 0.1<Kn<10
Free molecular flow Kn>10

微流体模块用于模拟滑动流和连续流,而分子流模块用于精确仿真自由分子流和过渡流。历史上,该类型的流动已通过直接仿真 Monte Carlo (DSMC) 方法进行了模拟。这可以计算大量随机粒子在系统中的运动轨迹,但会在模拟过程中引入统计噪声。对于低速流动(例如在真空系统中的流动),由 DSMC 渲染器引起的噪声会使仿真变得不可行。COMSOL 使用一些替代方法:对于过渡流采用离散元速度法(使用 Lattice Boltzmann 速度矩),对于分子流动采用角系数法。

Ion Implanter Evaluator

Outgassing Pipes

Differential Pumping

Molecular Flow Through a Microcapillary

Rotating Plate in a Unidirectional Molecular Flow

Adsorption and Desorption of Water in a Load Lock Vacuum System

Molecular Flow Through an RF Coupler