Модуль Particle Tracing (Отслеживание частиц)

Новое приложение: Выделение красных кровяных телец

Это приложение моделирует разделение красных кровяных телец и тромбоцитов в микрогидродинамическом канале посредством диэлектрофореза. Входными данными являются диаметр красных кровяных телец и тромбоцитов, электромагнитная частота и приложенный потенциал. Эффективность разделения рассчитывается и визуализируется на графиках траекторий частиц, электрического потенциала и вязкости текучей среды.

Красные кровяные тельца и тромбоциты разделяются с помощью диэлектрофоретической силы. Из трубки в правом нижнем углу геометрии выделяются только красные кровяные тельца, по которым можно определить чистоту пробы и ее пригодность для дальнейшего анализа. Красные кровяные тельца и тромбоциты разделяются с помощью диэлектрофоретической силы. Из трубки в правом нижнем углу геометрии выделяются только красные кровяные тельца, по которым можно определить чистоту пробы и ее пригодность для дальнейшего анализа.

Красные кровяные тельца и тромбоциты разделяются с помощью диэлектрофоретической силы. Из трубки в правом нижнем углу геометрии выделяются только красные кровяные тельца, по которым можно определить чистоту пробы и ее пригодность для дальнейшего анализа.

Новые мультифизические интерфейсы для трассировки частиц

Добавлены следующие мультифизические связи:

  • Electric Particle-Field Interaction (Электрическое взаимодействие частицы и поля): На основе позиций заряженных частиц формирует плотность объемного заряда, которую затем можно использовать в интерфейсе Electrostatics (Электростатика).
  • Magnetic Particle-Field Interaction (Магнитное взаимодействие частицы и поля): На основе позиций и скоростей заряженных частиц формирует плотность тока, которую затем можно использовать в интерфейсе Magnetic Fields (Магнитные поля).
  • Fluid-Particle Interaction (Взаимодействие частицы и текучей среды): Вычисляет объемную силу воздействия частиц на текучую среду.

Для каждой мультифизической связи добавлен новый мультифизический интерфейс, на основе которого можно создавать нужные интерфейсы физик.

  • Интерфейс Particle Field Interaction, Non-Relativistic (Нерелятивистское взаимодействие частицы и поля) создает интерфейсы Electrostatics (Электростатика) и Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц), а также мультифизическую связь Electric Particle-Field Interaction (Электрическое взаимодействие частицы и поля). С помощью этого интерфейса можно моделировать пучки заряженных частиц постоянного тока на нерелятивистских скоростях.
  • Интерфейс Particle Field Interaction, Relativistic (Релятивистское взаимодействие частицы и поля) создает интерфейсы Electrostatics (Электростатика), Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц) и Magnetic Fields (Магнитные поля), а также мультифизические связи Electric Particle-Field Interaction (Электрическое взаимодействие частицы и поля) и Magnetic Particle-Field Interaction (Магнитное взаимодействие частицы и поля). С помощью этого интерфейса можно моделировать релятивистские пучки заряженных частиц постоянного тока, порождающие сильные магнитные поля. Для работы этой мультифизической связи также требуется модуль AC/DC (Переменный/постоянный ток).
  • Интерфейс Fluid-Particle Interaction (Взаимодействие частицы с текучей средой) создает интерфейсы Single-Phase Flow (Однофазный поток) и Particle Tracing in Fluids (Трассировка частиц в текучих средах), а также мультифизическую связь Fluid-Particle Interaction (Взаимодействие частицы с текучей средой). С помощью этого интерфейса можно моделировать поток частиц в текучей среде при постоянной пропускной способности.

В модели Relativistic Diverging Electron Beam (Релятивистское отклонение электронного пучка), которая подробно описана ниже, используются новые мультифизические связи. В модели Relativistic Diverging Electron Beam (Релятивистское отклонение электронного пучка), которая подробно описана ниже, используются новые мультифизические связи.

В модели Relativistic Diverging Electron Beam (Релятивистское отклонение электронного пучка), которая подробно описана ниже, используются новые мультифизические связи.

Модель двунаправленной трассировки связанных частиц

Новая модель Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двунаправленная трассировка связанных частиц) позволяет задавать двунаправленные связи между траекториями частиц и полями. Он автоматически создает пару узлов For/End For в последовательности решателя, благодаря чему зависящие от времени траектории частиц и стационарные поля могут взаимодействовать между собой.

Неупругие столкновения

С помощью нового узла Collisions (Столкновения) можно моделировать несколько типов взаимодействий между заряженными частицами и фоновым газом. В узел Collisions (Столкновения) можно добавлять следующие подузлы, соответствующие разным типам взаимодействий:

  • Упругие
  • Сцепляющие
  • Возбуждающие
  • Ионизирующие
  • Пользовательские

Все подузлы в узле Collisions (Столкновения) основаны на модели рассеяния Монте-Карло, в которой каждая частица с определенной вероятностью может столкнуться с другой в зависимости от заданной частоты столкновений и шага по времени.

Узел Collisions (Столкновения) заменяет собой функцию Elastic Collision Force (Сила упругого столкновения). Модель трения, т. е. детерминированную силу, которая ранее оценивалась с помощью функции Elastic Collision Force (Сила упругого столкновения), теперь можно анализировать в специальном узле Friction Force (Сила трения).

Новая функция излучения пучков частиц

С помощью нового узла Particle Beam (Пучок частиц) теперь можно излучать пучки заряженных частиц, указав интенсивность пучка и параметры Twiss с эллиптическим или гауссовым распределением в фазовом пространстве. Кроме того, новые глобальные переменные позволяют визуализировать количественные показатели, такие как интенсивность пучка, при постобработке результатов.

Магнитная линза: Частицы излучаются в пучке с симметричным бигауссовым распределением (слева вверху). Гиперинтенсивность пучка показана вместе с номинальной траекторией (слева внизу). Отображение Пуанкаре с позициями частиц в нескольких поперечных сечениях, которые показаны разными цветами (справа). Магнитная линза: Частицы излучаются в пучке с симметричным бигауссовым распределением (слева вверху). Гиперинтенсивность пучка показана вместе с номинальной траекторией (слева внизу). Отображение Пуанкаре с позициями частиц в нескольких поперечных сечениях, которые показаны разными цветами (справа).

Магнитная линза: Частицы излучаются в пучке с симметричным бигауссовым распределением (слева вверху). Гиперинтенсивность пучка показана вместе с номинальной траекторией (слева внизу). Отображение Пуанкаре с позициями частиц в нескольких поперечных сечениях, которые показаны разными цветами (справа).

Излучение, ограниченное объемным зарядом

Появился специальный мультифизический узел для анализа поверхностного излучения частиц, ограниченного объемным зарядом. Излучение электронов, ограниченное объемным зарядом, наблюдается в тех случаях, когда дальнейшее увеличение силы тока излученных частиц создает объемный заряд, достаточно плотный для возврата частиц к поверхности, которая их излучила. Узлы Space Charge Limited Emission и Electric Particle Field Interaction можно использовать совместно, чтобы задать ток, ограниченный объемным зарядом. В библиотеку приложений добавлена новая учебная модель Child's Law Benchmark (Эталонная модель закона Чайлда) (см. снимок экрана), иллюстрирующая этот эффект.

Улучшенные накопители

Для функций Accumulator (Накопитель) на уровне областей больше не нужно вручную задавать малый шаг по времени, так как теперь большинство накопленных переменных вычисляются точно со стандартными настройками решателя. В результате многие модели, в которых используются узлы Accumulator (Накопитель) в областях, теперь вычисляются намного точнее и до десяти раз быстрее. Также добавлены новые параметры интерполяции накопленных переменных при пересечении частицами большого числа элементов сетки в единицу времени.

Излучение частиц по текстовому файлу

Теперь с помощью узла Release from Data File (Излучение по файлу данных) можно задавать начальные позиции и скорости частиц на основе данных, импортированных из текстового файла.

Новые параметры выборки по распределениям скорости

При излучении частиц по сферическому, полусферическому, коническому или максвелловскому распределению для этих частиц можно использовать детерминированное распределение скоростей или произвольную выборку такого распределения.

Сравнение детерминированных и произвольных выборок для конического излучения частиц. Сравнение детерминированных и произвольных выборок для конического излучения частиц.

Сравнение детерминированных и произвольных выборок для конического излучения частиц.

Новые настройки для силы взаимодействия между частицами

Появился новый встроенный параметр для функции Particle-Particle Interaction (Взаимодействие между частицами) – Линейная упругая сила (Linear elastic force). Если к любой силе взаимодействия между частицами применена отсечка по расстоянию, то при достаточном удалении частиц эта сила становится равной нулю.

Заданные наборы координат при излучении частиц с решетки

Узел Release From Grid (Излучение с решетки) теперь может моделировать излучение частиц как по указанному набору координат, так и по всем наборам. При моделировании излучения пользователь может выбрать тип решетки: All combinations (Все наборы) или Specified combinations (Указанные наборы). Эта функция позволяет намного точнее управлять начальными позициями частиц, чтобы излучать частицы не со всей прямоугольной решетки, а только из указанных областей.

Новая учебная модель: Релятивистский расходящийся электронный пучок

При моделировании распространения пучков заряженных частиц с большой силой тока и релятивистской скоростью объемный заряд и ток пучка порождают значительные электрические и магнитные силы, которые стремятся расширить и сузить эти пучки соответственно. Интерфейс Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц) с помощью итераций эффективно вычисляет траектории сильносвязанных частиц, а также анализирует электрические и магнитные поля для пучков с постоянным током. Как показало исследование с уточненной сеткой, данное решение согласуется с аналитическим выражением для формы огибающей релятивистского пучка.

Пучок релятивистских электронов излучается из горловины и начинает рассеиваться. Электрическое (красный) и магнитное (синий) поля данного луча показаны вдоль его траектории. Пучок релятивистских электронов излучается из горловины и начинает рассеиваться. Электрическое (красный) и магнитное (синий) поля данного луча показаны вдоль его траектории.

Пучок релятивистских электронов излучается из горловины и начинает рассеиваться. Электрическое (красный) и магнитное (синий) поля данного луча показаны вдоль его траектории.

Новая учебная модель: Эталонная модель закона Чайлда

Излучение, ограниченное объемным зарядом, – это явление, которое сдерживает рост силы тока заряженных частиц, излучаемых поверхностью. По мере увеличения силы тока электронов, излученных на катоде, возрастает и магнитуда плотности объемного заряда в непосредственной близости от этого катода. Это распределение плотности заряда порождает электрическую силу, которая направляет излученные электроны обратно к катоду. Сила тока, ограниченная объемным зарядом, – это максимальная сила тока, при которой излученные частицы не возвращаются на катод.

В данном примере с помощью узла Space Charge Limited Emission (Излучение, ограниченное объемным зарядом) вычисляется сила тока, ограниченная объемным зарядом, для плоскопараллельного вакуумного диода. Полученные значения для силы тока и распределения электрического потенциала сравниваются с аналитическим решением по закону Чайлда. Для расчета плотности тока используется модель Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двунаправленная трассировка связанных частиц), которая устанавливает двустороннюю связь между траекториями частиц и электрическим потенциалом.