产品:粒子追踪模块
产品:粒子追踪模块
使用粒子追踪模块分析粒子的特性

颗粒以 15 度锥角从注射喷嘴系统注入 CVD 腔室。最初由于惯性足够大,颗粒按其原始轨迹运动,但最终曳力占主要作用,颗粒随背景气体从排气口排出。
粒子追踪扩展 COMSOL 平台的功能
粒子追踪模块扩展了 COMSOL 环境的功能,支持计算粒子在流体或电磁场中的轨迹,包括粒子-粒子、流体-粒子,以及粒子-场之间的相互作用。您可以将所有针对特定应用的专业模块与粒子追踪模块无缝耦合,以计算驱动粒子运动的场。粒子可以赋予质量,也可以没有质量。其运动规律根据经典力学的 Newtonian、Lagrangian 或 Hamiltonian 公式计算。软件中可以对几何壁面上的粒子应用特定边界条件,使粒子可以冻结、黏附、反弹、消失或漫反射。还可以使用用户定义的壁面条件,碰撞后的粒子速度通常设置为入射粒子速度和壁面法线矢量的函数。也可以包括入射粒子撞击壁面后的二次粒子释放,将它们的数量及速度分布函数设置为一次粒子速度和壁面几何的函数。此外,还可以根据任意表达式或黏附概率定义粒子在壁面上的黏附。可以向模型中添加额外的因变量,使您能够计算诸如粒子质量、温度或自旋等量。
可以根据底层网格(根据格点或任意表达式定义),在边界上或域中均匀释放粒子。模块中包含了一系列的预定义作用力,可用于描述具体的粒子与场之间的相互作用。您也可以通过正确的表达式定义新的作用力。此外,还可以模拟粒子和场之间的双向相互作用(粒子-场相互作用),以及粒子彼此之间的相互作用(粒子-粒子相互作用)。
动画
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功能强大的处理工具
强大的处理工具使您可以精细地可视化所计算的粒子轨迹。可以通过点、彗尾、线或管来表示粒子轨迹。可以简便地创建动画,并直接在图形用户界面 (GUI) 中查看或导出到文件。粒子轨迹可以使用依赖于粒子、场或两者任意组合的任意表达式进行着色。在仿真大量粒子轨迹的情况下,可以根据逻辑表达式筛选出特定的粒子轨迹。粒子轨迹可以投影到低维上,并使用 Poincaré 映射图或相图可视化。此外,还可以对粒子进行一些操作,计算并绘制所有粒子的一些物理量的最大值、最小值、平均值或积分值。粒子轨迹数据本身可以计算,写入结果表或导出到文件。您可以使用一维或二维直方图,简便地显示粒子的速度和能量分布。
电场和磁场中的带电粒子
带电粒子(例如电子、单个离子或小离子簇)会受电场和磁场中的三种主要作用力影响:
- 电力,由电势梯度或时变磁矢势生成。带负电荷的粒子的运动方向与电场方向相反,带正电荷的粒子的运动方向与电场方向相同。电场力会对这些粒子做功。
- 磁力,它不会对带电粒子做功,但会显著改变其轨迹。对于带电粒子,磁力通常会产生“香蕉形”轨道,导致它们按磁场线作轨道运动,离磁场线的距离与其质量成正比。
- 碰撞力,在带电粒子与背景气体碰撞时产生。背景气压越高,碰撞力的作用就越重要。
如果带电物质的数密度小于约 1013 1/m3,则粒子对场的影响可以忽略不计。这使您可以独立于粒子轨迹而计算背景场。然后这些场用来计算粒子上的电力、磁力和碰撞力。粒子轨迹可以在它们单独的求解中计算,这使得可以使用计算量小且高效的迭代求解器。
粒子追踪求解
对于每个粒子,位移矢量的每个分量均需通过一个常微分方程来求解。这意味着在三维下,需要对于每个粒子求解三个常微分方程,在二维下为两个。在每个时间步长,在粒子当前空间位置的物理场中计算作用于每个粒子的力。如果模型中考虑粒子-粒子相互作用力,则会将其加到总作用力中。然后更新粒子位置,此过程不断重复直到指定的仿真结束时间。由于粒子追踪模块使用最通用的公式来计算粒子轨迹,所以粒子追踪接口可以用于模拟电磁场中的带电粒子运动、大型行星和星系运动,以及层流、湍流和两相流体系统中的粒子运动。
流体粒子追踪的研究
微观和宏观尺寸粒子的主要运动作用力通常是浸没液体中的粒子上的曳力。系统中存在两个相态:由气泡、粒子或液滴组成的离散相,以及浸没粒子的连续相。可以使用粒子追踪模型的系统应为稀薄流或分散流。这意味着离散相的体积应远小于连续相的体积比例(通常小于 1%)。当粒子的体积比不是很小时,流体系统将归类为浓溶液流体,应该采用其它模拟方法。使用粒子追踪方法时应该认识到,粒子追踪方法不会使粒子取代它们占据的流体。
在稀流体中,连续相会影响粒子的运动,但反之则不然。这通常称为“单向耦合”。模拟这种系统时,通常先求解连续相,然后再计算分散相的轨迹,这样的效率最高。
在稀溶液中,连续相会影响粒子的运动,粒子运动反过来会扰乱连续相。这通常称为“双向耦合”。为了模拟这种效应,必须同时计算连续相和分散相。因此,模拟稀薄流的计算量显著高于模拟稀疏流。
粒子追踪模块
产品特征
- 带电粒子追踪接口,模拟电场和磁场中离子和电子的运动轨迹,并可以考虑粒子与背景气体的弹性碰撞
- 流体流动粒子追踪接口,模拟微观或宏观粒子在流体中的运动
- 数学粒子追踪接口,对所求解的方程提供完全的自由度
- 无质量、牛顿、拉格朗日和哈密顿公式
- 预定义作用力简化模型设置
- 电力
- 磁力
- 碰撞力
- 曳力
- 布朗力
- 热泳力
- 重力
- 声泳力
- 介电泳力
- 磁泳力
- 用户定义作用力
- 粒子-场相互作用
- 粒子-粒子相互作用
- 基于一些逻辑表达式重新初始化粒子速度矢量,支持通用 Monte Carlo 模拟
- 粒子释放机理
- 基于网格单元释放粒子
- 粒子在特定边界上均匀分布
- 基于表达式在特定位置设置较大的粒子密度
- 格点
- 后处理
- 粒子运动轨迹图(线、管、点和彗尾)
- 任意表达式的彩色轨迹
- 筛选粒子绘图
- 动画
- Poincaré 截面和映射图
- 相图
- 计算所有粒子上变量的最大值、最小值、平均值和积分值
- 将粒子数据写入表中
- 导出粒子数据
- 一维和二维直方图
- 传输概率
应用领域
- 质谱法
- 束流物理
- 布朗运动
- 离子光学
- 离子迁移谱
- 流体可视化
- 喷雾
- 悬浮颗粒
- 混合器
- 二次发射
- 分离和过滤
- 离子能量分布函数可视化
- 声泳
- 经典力学
层流静态颗粒混合器设计器
在静态混合器中,流体泵入包含固定式搅拌叶片的管道,这种混合技术在层流流态下产生的压力损失非常小,因此非常适用于层流混合。流体被泵入通道后,沿通道长度方向流动,叶片横截面方向的交替变化使流体混合。通过这种静态混合技术,可以精确控制整个过程中的混合量,不过 ...
使用介电泳从红细胞中分离血小板
介电粒子在不均匀电场作用下受到外力时,会发生介电泳 (DEP)。DEP 在生物医疗器械领域广泛用于生物传感器、诊断、粒子操控和过滤(分选)、粒子组装等。 介电泳力对粒子的大小、形状和介电特性非常敏感,使得 DEP 可以用来从混合物中分离不同种类的粒子 ...
布朗运动
理想斗篷
旋转星系
RF 耦合器中的分子流
这个模型计算了通过 RF 耦合器的传输概率,其中使用“自由分子流”接口中的角系数方法,以及“数学粒子追踪”接口中的蒙特卡洛方法。两种方法计算得出的传输概率非常一致,差异不足 1%%。需要“粒子追踪模块”。
层流静态混合器中的颗粒轨迹
静态混合器也称为静止混合器或管道混合器,其原理是将流体泵入一个含固定叶片的管道以达到混合的目的。在层流流态下,这种混合技术产生的压力损失非常小,因此特别适用于层流混合。此示例研究扭叶片静态混合器中的流动,通过计算悬浮颗粒在混合器中的轨迹来评估混合性能。 模型使用 ...
电荷交换室模拟器
电荷交换单元由真空室中处于高压的气体区域组成。离子束与高密度气体相互作用时,离子与气体发生电荷交换反应,产生高能中性粒子,很可能只有一小部分离子束将进行电荷交换反应,因此,为了使离子束保持中性,在电荷交换单元外放置一对带电偏转板,通过这种方式可以产生高能中性源。 ...
单透镜
单透镜是用于聚焦带电粒子束的静电装置,可用于阴极射线管、离子束和电子束实验以及离子推进系统。 此特定模型由三个轴向对齐的圆柱体组成,外侧的两个圆柱体接地,中间的圆柱体保持固定电压。三维静电场用静电 接口计算,粒子轨迹用带电粒子追踪 接口计算。
自然电位引起的电子束发散
对高电流下带电粒子束的传播建模时,由粒子束产生的空间电荷力显著影响带电粒子的轨迹。这些轨迹的扰动反过来影响空间电荷分布。 “带电粒子追踪”接口可以使用迭代过程有效地计算稳态条件下运行的系统的强耦合粒子轨迹和电场。与基于粒子束之间库仑相互作用的显式建模的方法相比 ...
每个公司、每个仿真需求都是独特的。
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