Плазма

Моделирование низкотемпературных равновесных и неравновесных электрических разрядов в газах

Физика низкотемпературной плазмы сочетает в себе элементы гидродинамики, химической технологии, физической кинетики, теплопередачи, массообмена и электродинамики – иными словами, это комплексная мультифизическая система. Модуль «Плазма» как расширение COMSOL Multiphysics® представляет собой специализированный инструмент для моделирования равновесных и неравновесных электрических разрядов, возникающих и используемых в разнообразных технических дисциплинах и приложениях. Продукт рассчитан на описание сложных систем и содержит предустановленные инструменты для моделирования разрядов постоянного тока, плазмы с индукционной связью, микроволновой плазмы, высокочастотных разрядов с ёмкостной связью, коронных разрядов, стримеров и т.п.

Связаться с COMSOL
3D модель реактора с индукционной связью, показана катушка и распределение электронной температуры с помощью цветовой шкалы Inferno.

Типовые области применения модуля «Плазма»

Примеры моделей плазменных электромагнитных систем, которые могут быть созданы в программе COMSOL®.

Поглощаемая мощность в реакторе плазмы с индуктивной связью.

Плазма с индуктивной связью

Исследование передачи мощности плазме в ректорах индуктивно-связанной плазмы (ИСП)1.

Распределение электронной температуры и плотности в реакторе ВЧ-плазмы с ёмкостной связью.

Плазма с ёмкостной связью

Поиск установившегося решения для реактора ВЧ-плазмы с ёмкостной связью.

Распределение электронной температуры в диполярном источнике СВЧ-плазмы с учётом ЭЦР.

Источники плазмы на основе электрон-циклотронного резонанса (ЭЦР)

Анализ сопряжения плазмы, постоянного магнитного поля и электромагнитных волн с учётом электрон-циклотронного резонанса.1,2

Микроволновой нагрев плазмы в 2D.

Микроволновая плазма

Исследование микроволнового нагрева и удержания плазмы.2

Плотность плазмы при DC-разряде.

Разряды постоянного тока

Моделирование электрических разрядов в газе, поддерживаемых при постоянном напряжении или токе.

Отрицательная ионная плотность при коронном разряде.

Коронные разряды

Оценка распределения заряженных частиц в пространстве при коронном разряде.

Электрический пробой между двумя сферическими электродами.

Электрический пробой

Оценка пробоя газового промежутка в высоковольтных электростатических системах.

Электрическое поле и траектории частиц в электростатическом пылевом фильтре.

Электростатические фильтры

Трассировка частиц и расчет вероятности прохождения ими электростатического пылевого фильтра.3

Распределение температуры газа при дуговом разряде постоянного тока.

Дуговые разряды

Расчёт распределения температуры в плазме дугового разряда и окружающей среде.1

Распределение температуры в плазматроне с индуктивной связью.

Плазматроны с индуктивной связью

Исследование электрических и температурных характеристик плазматронов при атмосферном давлении.1

Эволюция х-к плазмы и приведенного электрического поля во времени в глобальной модели.

Глобальные модели плазмы

Расчёт реакторов с плазмой на основе упрощенных глобальных моделей для быстрой параметризации и в случае сложной химии, в т.ч. с использованием уравнения Больцмана.

ФРЭЭ для различных амплитуд приведенного поля и нормированных частот.

Функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ)

Расчёт ФРЭЭ и определение транспортных свойств электронов и источниковых членов для флюидной формулировки описания неравновесной плазмы.

Распределение поглощенной электронами мощности в двух реакторах плазмы с индуктивной связью.

Получение однородной плазмы

Оптимизация конструкции систем э/м катушек и реактора для получения однородной плазмы.4

Функция распределения ионов по энергии.

Функция распределения ионов по энергии

Расчёт функции распределения ионов по энергии на поверхностях.3

  1. Дополнительно требуется модуль "AC/DC"
  2. Дополнительно требуется модуль "Радиочастоты"
  3. Дополнительно требуется модуль "Трассировка частиц"
  4. Дополнительно требуется модуль "Оптимизация"

Основные функциональные возможности модуля «Плазма»

Ниже систематизированы и описаны ключевые инструменты модуля «Плазма» для типовых областей его применения.

Скриншот интерфейса мастера создания моделей, на котором показаны настройки физического интерфейса Plasma и результаты расчета модели двунаправленного стримера.

Неравновесная плазма

В модуле «Плазма» доступен встроенный физический интерфейс Plasma для моделирования реакторов с низкотемпературной плазмой, которая поддерживается постоянным или переменным электрическим полем. В интерфейсе подобран набор условий на домены, граничных и начальных условий, реализованы предустановки для сеток, стационарных исследований и расчётов во временной области, а также для наглядной постобработки. Формулировка уравнений подразумевает расчёт транспортных уравнений для электронов и тяжелых компонентов (ионов и нейтральных частиц) совместно с уравнением Пуассона для электрического потенциала. Помимо этого, проводится расчёт средней энергии электронов на основе данных о полученной от электрического поля мощности и потерях энергии при столкновениях с фоновым газом.

Скриншот интерфейса мастера создания моделей, на котором показаны настройки узла Electron Impact Reaction и результаты расчёта модели безэлектродной лампы.

Химические реакции в плазме

Химия плазмы критически важна для получения реалистичных результатов в модели. Инструменты модуля «Плазма» позволяют описывать реакции со столкновениями электронов, реакции между тяжелыми компонентами, реакции на стенках.

Реакции определяют то, как электроны получают или теряют энергию при столкновении с фоновым газом. В настройках интерфейса можно указать вид электронной реакции: с ионизацией, возбуждением или присоединением. Реакция может быть задана на основе данных сечения столкновения, а источниковые члены определяются на основе интегрирования по функции распределения электронов по энергии (ФРЭЭ),

Скриншот интерфейса Мастера разработки моделей, показаны настройки мультифизической связки Plasma Conductivity Coupling и результаты расчета реактора с индуктивно-связанной плазмой.

Мультифизический интерфейс для моделирования реакторов с индуктивно-связанной плазмой

Мультифизический интерфейс Inductively Coupled Plasma1 подойдет для моделирования разрядов, которые удерживаются индукционными токами. В нем реализована связка интерфейсов Plasma и Magnetic Fields. Проводимость для магнитной задачи определяется на основе модели плазмы, а индукционный нагрев среды учитывается при расчёте средней энергии электронов. Подразумевается, что магнитная задача решается в частотной области и усредненные за период данные используются в рамках исследования плазмы во временной области.

Скриншот узла Add Physics с выделенным интерфейсом Equilibrium Inductively Coupled Plasma и результаты расчета модели плазматрона.

Мультифизические интерфейсы для моделирования равновесной плазмы

В модуле «Плазма» доступна группа интерфейсов для моделирования плазмы в условия полного или локального термодинамического равновесия при атмосферном давлении. В этом случае электроны и тяжелые частицы, а значит и вся плазменная система, описываются одной температурой. Интерфейсы Equilibrium Discharge различаются типом учитываемого электрического возбуждения, что отражено в их названии: Equilibrium DC Discharge, Equilibrium Inductively Coupled Plasma1 и Combined Inductive/DC Discharge1. Плазма описывается как однородный флюид в приближении магнитной гидродинамики (МГД). В общем случае реализуется связь интерфейсов для описания потока флюида, теплопередачи, магнитных полей и электрических токов. Физика плазмы учитывается при задании источников нагрева, температурных зависимостей электропроводности и теплоёмкости, эффектов излучения и т.п.

Скриншот с настройками граничного условия Wall.

Граничные условия для описания взаимодействия на стенках

В интерфейсах модуля «Плазма» доступны инструменты для описания взаимодействия плазмы со стенками. Например, в граничном условии Wall можно задавать плотность электронов и поток энергии на поверхности, что позволяет ввести дополнительные потери для транспортных уравнений. Также можно задавать дополнительный поток, обусловленный вторичной эмиссией электронов или произвольным потоком электронов на поверхности.

Потоки заряженных частиц автоматически учитываются на электродах и могут быть добавлены для моделирования внешних цепей. На диэлектрических стенках можно рассчитывать аккумулирование заряда.

Скриншот Мастера разработки моделей, выделен узел Heat Source и показаны результаты расчета неизотермических процессов в неравновесной плазме.

Гидродинамика и тепловой анализ фонового газа

Интерфейс Plasma может быть сопряжен с расчётом потока и нагрева газовой смеси в реакторе. Помимо этого можно моделировать и нагрев окружающих твердотельных материалов. Электроны получают энергию из поля и теряют её при соударениях с фоновым газом. При достаточно большом давлении этот механизм может привести к значительному нагреву среды и поверхностей. В интерфейсе Plasma автоматически рассчитывается такой источник нагрева, который можно использовать в рамках теплового анализа. Свойства флюида, вязкость и плотность, также определяемые в интерфейсе Plasma, можно использовать для CFD-расчёта.

Скриншот Мастера разработки моделей, показаны настройки интерфейса Plasma, Time Periodic и результаты расчета установившегося режима в GEC-реакторе ВЧ-плазмы с ёмкостным удержанием.

Специальный интерфейс для моделирования ВЧ-плазмы с ёмкостной связью

В модуле «Плазма» реализована уникальная численная методика для моделирования плазмы с ёмкостной связью на несколько порядков быстрее, чем при использовании классической техники. Вместо решения во временной области, сразу ищется установившееся периодическое решение, что реализована за счёт переведения времени в дополнительное изменение. В нем оказывается возможным определить один цикл ВЧ-поля и задать периодические условия. В итоге не нужно прорешивать десятки и сотни тысяч периодов по времени в ожидании установившегося режима. В итоге в модели учитываются все нелинейные эффекты при значительной экономии вычислительных ресурсов.

Скриншот Мастера разработки моделей, показаны мультифизической связки Plasma Conductivity Coupling и результаты расчета источника микроволновой плазмы.

Мультифизический интерфейс для моделирования микроволновой плазмы

Мультифизический интерфейс Microwave Plasma2 может быть использован для исследования разрядов, удерживаемых и нагреваемых э/м волнами. В нем реализовано сопряжение интерфейсов Plasma и Electromagnetic Waves, Frequency Domain. Мультифизическая связка Plasma Conductivity Coupling передает проводимость плазмы в интерфейс Electromagnetic Waves, а связка Electron Heat Source передает данные об СВЧ-нагреве газа обратно в интерфейс Plasma. Подразумевается, что СВЧ-задача решается в частотной области и усредненные за период данные используются в рамках исследования плазмы во временной области.

  1. Дополнительно требуется модуль "AC/DC"
  2. Дополнительно требуется модуль "Радиочастоты"

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