粒子追踪模块

粒子和场之间相互作用的研究

粒子追踪模块

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,用于计算粒子在流体或电磁场中的运动轨迹,包括粒子-粒子和粒子-场之间的相互作用。您可以将任何特定应用的专业模块与粒子追踪模块无缝地耦合,计算驱动粒子运动的物理场。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。软件中可以对粒子模型的几何壁面施加特定边界条件,使粒子可以冻结、粘附、反弹、消失或漫反射。还可以使用自定义的壁面边界条件,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。也可以定义入射粒子撞击壁面时释放的二次粒子,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结构的函数。此外,还可以根据任意表达式或概率定义粒子在壁面上的粘附。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、温度或自旋等变量。

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

  • 静态混合器(也称为静止或嵌入式混合器)是一些包含静止叶片的管道,在流体泵入时混合流体。这种类型的混合技术非常适合于层流混合,因为层流所产生的压力损失很小。此处显示的示例研究了包含扭叶片的静态混合器中的流动。通过计算悬浮颗粒流过混合器的轨迹来评估混合性能。该模型使用了流体流动接口中的层流和粒子追踪模型。 静态混合器(也称为静止或嵌入式混合器)是一些包含静止叶片的管道,在流体泵入时混合流体。这种类型的混合技术非常适合于层流混合,因为层流所产生的压力损失很小。此处显示的示例研究了包含扭叶片的静态混合器中的流动。通过计算悬浮颗粒流过混合器的轨迹来评估混合性能。该模型使用了流体流动接口中的层流和粒子追踪模型。
  • 该模型仿真颗粒在旋转微混合器中的混合。混合器包含三个不同入口和一个出口。旋转机械接口用于模拟流体流动,流体流动粒子追踪接口用于计算粒子轨迹。 该模型仿真颗粒在旋转微混合器中的混合。混合器包含三个不同入口和一个出口。旋转机械接口用于模拟流体流动,流体流动粒子追踪接口用于计算粒子轨迹。
  • 该模型仿真光电倍增管中电子的指数式增长。 该模型仿真光电倍增管中电子的指数式增长。

更多图片

  • 通过高能电子束扫描目标获得扫描电子显微镜样品图像。随后的电子相互作用产生二次电子和背景散射电子等信号,这些信号包含关于样品表面形貌的信息。电磁透镜将该电子束聚焦到样品表面上大约 10 纳米宽的一个点上。该模型需要粒子追踪模块和 AC/DC 模块。 通过高能电子束扫描目标获得扫描电子显微镜样品图像。随后的电子相互作用产生二次电子和背景散射电子等信号,这些信号包含关于样品表面形貌的信息。电磁透镜将该电子束聚焦到样品表面上大约 10 纳米宽的一个点上。该模型需要粒子追踪模块和 AC/DC 模块
  • 四极质谱仪的主要组件是质量过滤器,用于过滤具有不同荷质比的离子。多年来,四极质谱过滤器得到了很好的研究,充分理解了其物理场和优化设计。在实际的四极质谱仪中,质谱过滤器的入口和出口处均存在边缘场。这些边缘场对于决定特定离子通过质谱过滤器的传输概率,发挥着重要的作用。该模型计算四极质谱仪中的离子轨迹,包括边缘场的影响。 四极质谱仪的主要组件是质量过滤器,用于过滤具有不同荷质比的离子。多年来,四极质谱过滤器得到了很好的研究,充分理解了其物理场和优化设计。在实际的四极质谱仪中,质谱过滤器的入口和出口处均存在边缘场。这些边缘场对于决定特定离子通过质谱过滤器的传输概率,发挥着重要的作用。该模型计算四极质谱仪中的离子轨迹,包括边缘场的影响。

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。

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

A Smooth Optical Surface in Minutes

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Red Blood Cell Separation

Particle Trajectories in a Laminar Static Mixer

Brownian Motion

Ion Cyclotron Motion

Ideal Cloak

Rotating Galaxy