粒子追踪模块
粒子追踪模块
研究粒子和场之间相互作用的软件
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、粘附、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粘附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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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。
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该模型仿真光电倍增管中电子的指数式增长。
更多图片：
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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。
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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。
直微流道和弯微流道中的惯性聚集建模
J. Martel and M. Toner Biomems Resource Center Massachusetts General Hospital USA N. Elabbasi, D. Quinn, and J. Bergstrom Veryst Engineering USA
在许多医疗操作和测试中，分离出我们关注的细胞做进一步分析是非常必要的。微流控彻底改变了进行这些测试的方式，比如能够通过血样检测癌症。 在最有前景的分离并浓缩细胞的微流控技术中，有一种称为惯性聚焦的技术。粒子在弯流道流动中的平衡位置是一些参数和力的函数；通过实验难以研究所有可能的序列。 马萨诸塞综合医院 Biomems 资源中心的研究人员已模拟上述过程并确定了最佳设计方案。他们创建的 CFD 模型考虑了流道尺寸、粒子大小、雷诺粒子数，雷诺流道数和迪安数等因素。标准的粒子追踪方法并不适用于预测惯性聚焦，常微分方程 (ODE) 便使用了以线速度和角速度的方式指定粒子的平衡的。仿真结果与实验测量结果吻合，这些结果显示了平衡位置与流道曲率的相关性。
优化血液分析方法：物理原型失败时，仿真提供了答案
D. Isèbe HORIBA Medical, France
血液学分析，即确定各种血液参数的血样分析，是对血液疾病进行诊断和作出治疗决策的关键要素。准确的血液学分析需要计数并分类样本中的不同细胞来测量它们的大小和分布。HORIBA Medical，是一家提供医疗诊断设备的公司，主要使用 COMSOL ...
层流静态混合器建模
Nagi Elabbasi, Xiaohu Liu, & Stuart Brown Veryst Engineering LLC, Needham, MA, USA Mike Vidal & Matthew Pappalardo Nordson EFD, East Providence, RI, USA
Veryst Engineering，是一家提供工程设计和产品制造方面咨询服务的公司，通过与领先的精密分配系统制造商之一的 Nordson EFD 合作来优化其静态混合器。静态混合器对混合层流粘性流体而言是一种廉价而有效的设备，因为静态混合器中分子扩散最小 ...
在几分钟内获得光滑的光学表面
Anthony Beaucamp Zeeko Ltd Leicestershire, UK
Zeeko Ltd 是一家技术公司，主要制造一些适用于光学及其他表面的矫正研磨抛光机。他们目前正在研究流体射流抛光（FJP），其利用由小喷管喷出的混合磨料粒子的高速抛光液作用于工件表面。然而，FJP 倾向于在抛光表面上产生波形，这反过来导致器件出现严重问题。普遍认为是因为泵操作上有变化才产生的这些波形。 Anthony Beaucamp 博士和日本中部大学的研究团队已经开始使用 COMSOL Multiphysics 软件开发了一个轨迹计算流体动力学模型来追踪磨料粒子的轨迹。通过这些结果，Beaucamp 博士可以预测在 FJP 泵的作用下压力变化图。Zeeko Ltd 利用该模型创造了 FJP 在光学表面上的最佳运行条件。目前日本和韩国的很多制造企业都在使用这项技术。
通过声悬浮技术实现飘浮
K. Suthar, C. Benmore Argonne, IL, USA
作为治病救人的常规行业，制药公司需要输送高质量药品的系统。有一种用泡沫包裹的换能器，能利用声悬浮器产生声波。并利用来自声波的声力，将化学粒子悬浮于换能器之间，并将它们混合到一个无污染空间中。 阿贡国家实验室的 Kamlesh Suthar 和 Chris Benmore 使用 COMSOL Multiphysics 软件模拟了声悬浮器，目的是找到用以控制换能器之间各个液滴形成方式的最佳几何结构。此外，他们还利用了粘度和表面张力的改变会如何影响液滴形状。通过流固耦合（FSI）的研究，Suthar 对声压级、材料属性及悬浮器几何结构进行了探测。模拟声悬浮器帮助他们完善了自己的设计，实现了对液滴间相互作用方式的进一步控制，这些最终都将有助于推动医药品不断进步以更好的治病救人。
静态层流混合器中的粒子轨迹
电荷交换池仿真器
电荷交换池是真空舱中气体受高压的区域。离子束与高密度气体交互，发生电荷交换反应，产生高能的中性粒子。这其中只有一部分离子束参与这一反应。因此，为得到纯中性的粒子束，在池外放置一对带电偏转平板，就可以产生一个高能中性粒子源。\n\n该 App 模拟质子束与电荷交换池（含中性氩）之间的相互作用。用户输入包括：气体池和真空舱的几个几何参数、离子束属性以及用于使未发生电荷交换反应的离子产生偏转的带电平板的属性。\n\n此仿真模型中，通过测量转换成中性粒子的离子百分比，计算了电荷交换池的效率，并统计了发生的不同碰撞类型。
红细胞分离
介电粒子在非均匀电场中受到外力作用时，会发生介电泳 (DEP)。DEP 在生物医学设备方面有许多应用，可用于生物传感器、诊断学、粒子操控和过滤（排序）以及颗粒组装等。\n\n介电泳力的大小与粒子的大小、形状和介电属性有关。这一特性使 DEP 可用于分离不同的粒子，例如从混合物中分离各种细胞。此模型显示如何从血样中有选择地过滤出红细胞，使其与血小板分离。\n\n在 DEP 过滤装置中，由于红细胞比血小板大，因此受到的力更大，更容易发生转向。该装置有两个出口，未发生转向的粒子从上方出口离开，发生转向的粒子从下方出口离开。\n\n该 App 允许改变红细胞和血小板的特性以及电场。
离子回旋运动
本例使用 Newtonian、Lagrangian 和 Hamiltonian 公式来计算一个处于均匀磁场中的带电粒子的轨迹。该基准模型计算了 Larmor 半径并与解析解进行了比较。这三个公式得到的解相同。
布朗运动
理想斗篷
旋转银河
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、离子束和电子束试验以及离子推进系统。模型几何由三个轴向对齐的圆柱形电极组成。第一个和最后一个电极接地，中间电极的电压保持固定。然后，产生的静电场使电子束聚焦。
层流静态粒子混合器设计器
在静态混合器中，流体泵入一个包含静态混合叶片的管道。这一混合技术非常适合用于层流混合，因为这种流态下产生的压力损失非常小。当流体泵入通道，沿其长度方向流动时，叶片截面方向的交替变化使流体充分混合。这一静态混合技术可以精确控制这一过程中的混合量。不过，根据混合器的几何形状不同，其性能差别相当大。\n\n此模型计算了静态混合器中的流体速度和压力场，以及流体所携带粒子的轨迹。由于粒子都带质量，因此它们无法完全跟上流体的流动，这就导致一些粒子撞到混合叶片上。\n\n本例计算了粒子在混合器中的通过概率。还通过测量不同的粒子物质混合时的均匀度，评估了空间分布指数。
自然电位引起的电子束发散
在对高电流情况下带电粒子束的传播建模时，由粒子束产生的空间电荷分布会对带电粒子的轨迹产生显著影响。而由此产生的轨迹振荡，反过来又会影响空间电荷的分布。使用“双向耦合粒子追踪”研究步骤可以计算粒子轨迹和静电场的双向强耦合作用。与粒子间显式 Coulomb 相互作用建模相比，这种方法将所需模拟的粒子数量减小了几个数量级。本例中，网格细化研究证实，得到的解与非相对论近轴束包络形状的解析表达式一致。
