Молекулярные течения

Анализируйте и прогнозируйте свободномолекулярные течения

Модуль «Молекулярные течения» расширяет функциональные возможности среды моделирования COMSOL Multiphysics® и позволяет проектировать вакуумные системы, анализировать и рассчитывать потоки разреженных газов в свободномолекулярном режиме течения. Обычно, такие режимы течения исследовались методом прямого статистического моделирования Монте-Карло (DSMC). Этот подход позволяет рассчитать траектории большого числа случайных частиц в исследуемой системе, однако его недостатком является добавление статистического шума в моделируемый процесс. Из-за этого шума моделирование методом Монте-Карло низкоскоростных потоков, характерных для вакуумных систем, теряет свою практическую значимость. В модуле «Молекулярные течения» используется детерминированный подход, который полностью лишён подобных статистических шумов и обеспечивает быстрый и удобный способ моделирования низкоскоростных течений.

Связаться с COMSOL
Распределение плотности потока молекул в вакуумной системе показано с помощью палитры Prism.

Точное моделирование разреженных низкоскоростных потоков газа

Модуль «Молекулярные течения» идеально подходит для моделирования вакуумных систем, в том числе используемых при производстве полупроводников, в ускорителях частиц и масс-спектрометрах. Также можно решать задачи о течении в нанопористых материалах или в тонких каналах, что актуально для исследования добычи сланцевого газа.

Для моделирования стационарных свободномолекулярных течений в модуле используется метод угловых коэффициентов, позволяющий рассчитать плотность потока молекул, давление и плотность теплового потока на твёрдых поверхностях. Плотность распределения частиц в доменах, на гранях, рёбрах и в точках может быть определена на основе данных о плотности потока частиц на внешних границах. Кроме того, можно моделировать изотермические и неизотермические молекулярные течения и рассчитывать плотность теплового потока.

Область применения модуля «Молекулярные течения»

Проектируйте вакуумные системы и моделируйте разреженные потоки газа.

Увеличенное изображение модели вакуумной камеры в палитре Disco.

Вакуумные системы

Анализируйте работу различных систем вакуумирования.

Увеличенное изображение вакуумной системы в палитре Disco.

Химическое осаждение в высоком вакууме (CVD)

Моделируйте рост кремниевых пластин за счёт множества компонентов.

Увеличенное изображение модели ячейки обмена зарядом в палитре Aurora Borealis.

Ячейки обмена зарядом

Исследуйте взаимодействие пучка протонов с ячейкой обмена зарядом.

Увеличенное изображение модели ионного имплантера с пластиной.

Ионная имплантация

Оптимизируйте процессы ионной имплантации для легирования полупроводниковых пластин.

Увеличенное изображение модели термического испарителя, показана толщина плёнки.

Термическое испарение

Рассчитывайте толщину термически испарённой золотой плёнки.

Увеличенное изображение модели вакуумной камеры в палитре Thermal Wave.

Адсорбция и десорбция

Исследуйте адсорбцию и десорбцию в вакуумных системах при низких давлениях.

Функциональные возможности модуля «Молекулярные течения»

Специальные инструменты для точного моделирования течения газа в свободномолекулярном режиме.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Free Molecular Flow и моделью имплантера в графическом окне.

Свободномолекулярное течение

Интерфейс Free Molecular Flow предназначен для точного моделирования высокоразреженных потоков газа. Интерфейс позволяет рассчитать молекулярные потоки на границах геометрической модели, а также опционально плотность частиц, давление и плотность теплового потока. Для выполнения расчётов с помощью этого интерфейса достаточно построить сетку только на границах расчётной области. Чтобы получить данные о плотности частиц внутри доменов, легко добавить объёмную сетку. Интерфейс Free Molecular Flow позволяет моделировать молекулярные потоки газа, используя для описания расчётной области оригинальные CAD модели.

Увеличенное изображение окна настройки узла Free Molecular Flow и тестовой модели s-канала в графическом окне.

Метод угловых коэффициентов

Для моделирования сильно разреженных потоков газа в интерфейсе Free Molecular Flow используется метод угловых коэффициентов, который является детерминированным подходом и работает быстрее, чем методы, основанные на использовании частиц. Этот метод гораздо точнее приближённых кондуктивных методов вычисления давления и плотности частиц. Кроме того, с его помощью можно легко моделировать несколько газовых веществ одновременно.

Увеличенное изображение окна настройки узла Electrostatics и модели ячейки обмена зарядом в графическом окне.

Расширенные возможности мультифизического анализа

Модуль «Молекулярные течения» может быть объединен с другими модулями из набора продуктов COMSOL для расширения функциональных возможностей мультифизического анализа. Узлы мультифизических связей позволяют совместно использовать полевые переменные и параметры в интерфейсах из разных модулей. Например, если объединить модуль «Молекулярные течения» с модулем «Трассировка частиц», то интерфейс Free Molecular Flow, используемый для расчёта плотности частиц, можно скомбинировать с интерфейсом Charged Particle Tracing для анализа столкновений между частицами и нейтральными атомами окружающей среды.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Wall и моделью испарителя в графическом окне.

Граничные условия

В модуле «Молекулярные течения» реализовано множество вариантов граничных условий, которые можно использовать в расчётных моделях. С помощью встроенных функций можно задать давление на границе, обусловленное соединением с большим резервуаром, или условия полного вакуума. Также при моделировании неизотермических потоков можно непосредственно задать температуру на границах. Кроме того, в параметрах граничных условий можно задать производительность насоса и долю адсорбированных молекул, или непосредственно скорость адсорбции на любой поверхности. Наконец, на границах можно использовать условия испарительного источника или задать поток частиц на поверхности, в том числе с помощью пользовательских соотношений.

В модуле также представлены варианты граничных условий для моделирования различных видов твёрдых поверхностей в вакуумных системах. Например, с помощью условия Wall можно описать диффузное отражение частиц на поверхности. Условие Outgassing wall соответствует диффузному отражению падающих на поверхность частиц и дополнительной диффузной эмиссии частиц с поверхности. Опция Adsorption/Desorption позволяет задать условие частичного поглощения частиц на поверхности. Кроме того, для моделирования поверхности, аккумулирующей частицы, доступна опция Deposition.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Transitional Flow и геометрической моделью s-канала в графическом окне.

Переходный режим

Инструменты модуля «Молекулярные течения» позволяют моделировать движение газа при условиях, которые соответствуют переходному режиму между свободномолекулярным течением и течением с проскальзыванием. Переходный режим соответствует переходу от приближения Навье-Стокса до приближения молекулярного течения. В основе интерфейса Transitional Flow, разработанного специально для таких разреженных потоков, лежит метод дискретных скоростей. В рамках этого подхода для описания распределения частиц по скоростям используется конечный набор значений скорости. Частицы распределяются по этому дискретному набору скоростей, а затем рассчитывается плотность частиц в каждом диапазоне. В доменах решается уравнение конвекции, дополненное членом, описывающим рассеяние, то есть перемещение частиц из одного диапазона скоростей в другой. Модуль также содержит специальные граничные условия для упрощения настройки расчётной модели. Поскольку моделирование переходного режима требует значительных вычислительных ресурсов и времени, лучше всего его использовать на упрощённой геометрической модели.

Каждая компания имеет уникальные требования к моделированию.

Свяжитесь с нами, чтобы точно определить, подойдет ли программный пакет COMSOL Multiphysics® для решения ваших инженерных или научных задач. Обсудив основные аспекты с одним из наших менеджеров, вы получите личные рекомендации и подробные примеры, которые помогут вам сделать верный выбор и подобрать подходящую конфигурацию продуктов и тип лицензии.

Просто нажмите кнопку "Связаться с COMSOL", укажите свои контактные данные, сформулируйте вопросы и отправьте нам эту заявку. Наша цель — ответить вам в течение одного рабочего дня!

Следующий шаг

Запрос информации о программе