Обновления модуля Трассировка частиц

Модуль Трассировка частиц версии 5.3a программного пакета COMSOL Multiphysics® содержит новый метод нулевых столкновений для расчета столкновений частиц, поддержку случайного времени испускания частицы и новую тестовую учебную модель. Все новые функции модуля Трассировка частиц описаны ниже.

Метод нулевых столкновений

Узел Collisions (Столкновения) интерфейса Charged Particle Tracing (Трассировка заряженных частиц) теперь поддерживает метод нулевых столкновений для моделирования взаимодействия ионов, электронов и молекул с разреженным газом методом Монте-Карло. Метод нулевых столкновений позволяет моделировать несколько столкновений для каждой частицы за один временной шаг решателя. Кроме этого, он ограниченно способен учесть изменения в частоте столкновений в течение временного шага. Этот метод полезнее всего при моделировании высокоэнергетических частиц, скорость которых значительно превышает тепловую скорость фонового газа.


График из учебной модели Ion Drift Velocity Benchmark (Оценка скорости дрейфа ионов). Относительная погрешность в модели Ion Drift Velocity Benchmark (Оценка скорости дрейфа ионов) для разных значений временного шага, заданных вручную. В этом примере метод нулевых столкновений всегда точнее обнаруживает столкновения, но разница наиболее заметна на больших временных шагах. Относительная погрешность в модели Ion Drift Velocity Benchmark (Оценка скорости дрейфа ионов) для разных значений временного шага, заданных вручную. В этом примере метод нулевых столкновений всегда точнее обнаруживает столкновения, но разница наиболее заметна на больших временных шагах.

Случайное время испускания частиц

Кроме задания времени испускания частиц с помощью списка, вы теперь можете выбрать равномерное, нормальное или логнормальное распределение времен испускания частиц, которые могут быть случайными или детерминированными. Например, нормальное распределение приводит к тому, что большая часть частиц испускается в моменты времени, близкие к среднему времени испускания, а меньшая часть — в отдаленные от него моменты времени.


 


Частицы испускаются в случайных местах на входе с нормальным распределением времен испускания. Цвет показывает, насколько время испускания отличается от среднего времени (частицы, помеченные красным, испущены в моменты времени, близкие к среднему времени испускания, а частицы, помеченные синим, — в отдаленные от него моменты времени). Как и ожидалось, большая часть частиц испускается в моменты времени, близкие к среднему времени испускания.

Повторное использование исчезнувших (disappeared) частиц для вторичного излучения

В моделях со вторичным излучением частиц теперь можно повторно использовать степени свободы частиц, ранее исчезнувших в исследовании. Это экономит немалый объем памяти, особенно в моделях, в которых частицы быстро создаются и уничтожаются.

Более гибкое задание периодических электромагнитных сил

Теперь можно задавать периодические, но не гармонические по времени электромагнитные силы. В настройках узлов Electric Force (Электрическая сила) или Magnetic Force (Магнитная сила) выберите вариант Periodic (Периодическая) в списке Time dependence of field (Временная зависимость поля). Новая возможность позволяет рассчитать один период переходной модели с электромагнитными силами и легко отслеживать движение частиц в течение произвольного числа периодов.


График из учебной модели CCP Ion Energy Distribution Function (Функция распределения по энергии ионов в плазме с ёмкостной связью).

Электрический потенциал в задачах физики плазмы часто бывает периодическим, но не гармоническим по времени. Вверху показан график потенциала из учебной модели CCP Ion Energy Distribution Function (Функция распределения по энергии ионов в плазме с ёмкостной связью), использующей модуль Плазма, и, для сравнения, гармонический по времени потенциал. Новые настройки для периодических электромагнитных сил лучше подходят для моделирования таких периодических полей общего вида.

Электрический потенциал в задачах физики плазмы часто бывает периодическим, но не гармоническим по времени. Вверху показан график потенциала из учебной модели CCP Ion Energy Distribution Function (Функция распределения по энергии ионов в плазме с ёмкостной связью), использующей модуль Плазма, и, для сравнения, гармонический по времени потенциал. Новые настройки для периодических электромагнитных сил лучше подходят для моделирования таких периодических полей общего вида.

Путь в Библиотеке приложений:
Plasma_Module/Capacitively_Coupled_Plasmas/ccp_ion_energy_distribution_function

Тепловое распределение скоростей частиц на границах

Теперь вы можете моделировать испускание частиц или переназначать скорости частиц на границах, рассчитывая скорости на основе теплового распределения на основе температуры стенки. В отличие от других взаимодействий частиц и стенки, например, рассеянного или зеркального отражения, новое граничное условие Thermal Re-Emission (Тепловое переиспускание) выбирает из распределения скорость частицы, а не только направление вектора скорости.

Доступны два варианта этой функции. Используйте опцию Thermal velocity distribution (Тепловое распределение скоростей) в функции Inlet (Вход), чтобы получить выборку скоростей испускаемых частиц из распределения. Кроме этого, вы можете использовать граничное условие Thermal Re-Emission (Тепловое переиспускание), чтобы моделировать адсорбцию молекул на границе и немедленное переиспускание с другими скоростями, соответствующими температуре поверхности.

 


Анимация адсорбции и переиспускания молекул на поверхности.

Запуск на основе решетки с цилиндрическими и гексаполярными координатами

Теперь, используя функцию Release from Grid (Запуск из решетки), вы можете моделировать испускание частиц из цилиндрических и гексаполярных решеток. Вы можете настраивать положение центра и ориентацию цилиндрического распределения, число различных радиальных позиций и число углов.

Три распределения, построенные на цилиндрических решетках.

В распределениях, построенных на цилиндрических решетках, можно задать одинаковые промежутки между точками решеток (слева), масштабирование промежутков по приблизительно однородной пространственной численной плотности (в центре) или заданные пользователем радиусы (справа).

В распределениях, построенных на цилиндрических решетках, можно задать одинаковые промежутки между точками решеток (слева), масштабирование промежутков по приблизительно однородной пространственной численной плотности (в центре) или заданные пользователем радиусы (справа).
Три распределения, построенных на гексаполярных решетках.

Слева направо: гексаполярные решетки с двумя, пятью и десятью кольцами точек.

Слева направо: гексаполярные решетки с двумя, пятью и десятью кольцами точек.

Новая тестовая модель Particle Dispersion in a Turbulent Channel Flow (Дисперсия частиц в турбулентном потоке в канале)

Эта тестовая модель демонстрирует явления, возникающие при движении частиц в турбулентном потоке в канале. Скорость текучей среды рассчитывается на основе RANS модели (из уравнений Навье — Стокса с усреднением по Рейнольдсу), поэтому отдельные вихри не представлены в модели явно. Чтобы связать такое поле потока с моделями трассировки частиц и учесть турбулентную дисперсию, используется модель непрерывного случайного блуждания (continuous random walk - CRW). Эта модель добавляет к силе сопротивления, действующей на частицы, случайные возмущения, зависящие от кинетической энергии турбулентности и скорости турбулентного рассеивания в текучей среде.

Этот пример показывает, как неоднородная изотропная турбулентность в пристеночной области влияет на движение частицы. Достаточно инертные частицы скапливаются вблизи стенок, поскольку они способны переходить от одного завихрения потока к другому. Чтобы продемонстрировать, как инерция частиц влияет на распределение частиц ниже по течению, проводится параметрический анализ с шестью различными значениями числа Стокса. Результаты сравниваются с ранее опубликованными данными прямого численного моделирования (DNS).

Шесть гистограмм из тестовой модели Particle Dispersion in a Turbulent Channel Flow (Дисперсия частиц в турбулентном потоке в канале).

Гистограммы положения частицы в безразмерных единицах вязкости. Меньшие значения y+ соответствуют положениям ближе к стенкам канала.

Гистограммы положения частицы в безразмерных единицах вязкости. Меньшие значения y+ соответствуют положениям ближе к стенкам канала.

Путь в Библиотеке приложений:
Particle_Tracing_Module/Fluid_Flow/flow_channel_turbulent_dispersion