1. Періодичне умова трасування частинок
2. Обертається система координат
3. Випадкові початкові позиції
4. Стрічки на траєкторії частинок
5. Вибірка системи координат для вхідних каналів
6. Розподіл швидкостей Ламберта
7. Неоднорідні величини розподілу швидкостей
8. Підйомна сила
9. Анізотропна турбулентна дисперсія
10. термоелектронна емісія
11. Поправочний коефіцієнт для сили опору руху частинок поблизу стінки
12. Умова симетрії при трасуванні частинок
13. Додаткові тимчасові кроки при візуалізації траєкторій
14. Нові опції для пар входу
15. Альтернативний спосіб призначення ваг в двосторонньо-пов'язаних моделях просторового заряду.
16. Критерії завершення на основі збіжності для двосторонньо-пов'язаних моделей
17. Нові інструменти зв'язування компонентів для частинок
18. Додаткова статистика, заснована на стані частинок
19. Нова навчальна модель: тест інерційної фокусування
20. Нова навчальна модель: Термоелектронна емісія в планарном діоді
21. Нова навчальна модель: Еквіпотенціальна лінза
22. Нова навчальна модель: турбомолекулярний насос

У модулі Трасування частинок програмного пакета COMSOL Multiphysics® версії 5.3 тепер є багато нових функцій, в тому числі Periodic Condition (Періодичне умова) і Rotating Frame (Обертається система координат), які можна застосовувати для трасування частинок в періодичних структурах і обертових механізмах, відповідно. Крім того, можна визначити випадкові початкові позиції для випуску частинок і візуалізувати траєкторії частинок у вигляді стрічок. Ознайомтеся нижче з новими функціональними особливостями модуля Трасування частинок.

Періодичне умова трасування частинок

Для моделювання трасування частинок в періодичних структурах або в геометричних формах з секторними симетрії тепер можна використовувати нове гранична умова Periodic Condition (Періодичне умова). Коли частка досягає поверхні з опцією Periodic Condition (Періодичне умова), вона негайно відображається на точку призначення на другий поверхні. Після того, як частка відображається на поверхню призначення, її швидкість може або залишитися тією ж, чи змінити напрямок (при секторної симетрії), або придбати нове значення відповідно до виразу, заданого користувачем.

Частки переміщаються через область з секторної симетрією. Колір відповідає унікальному індексу кожної частки.

Обертається система координат

Тепер опцію Rotating Frame (Обертається система координат) можна застосовувати для трасування частинок в обертових системах координат. Коли вказаний центр обертання, напрямок обертання і величина кутової швидкості системи координат, автоматично застосовуються відцентрові, коріолісову і ейлерови сили, які впливають на частки. Трасування частинок під обертається системі координат спрощує процес моделювання руху частинок в рухомих механізмах, таких як міксери і турбомолекулярні насоси, так як траєкторії частинок можна розрахувати в системі координат, пов'язаної з рухомим геометричним об'єктом.

В опціях нової версії програмного пакету в моделі з'явиться можливість вказувати, чи визначається початкова швидкість частинки під обертається або інерційної (невращающейся) системі координат. Ця остання додаткова опція активується в розділі Advanced Settings (Розширені параметри) при виборі прапорця Subtract moving frame velocity from initial particle velocity (Відняти швидкість обертається системи координат з початкової швидкості частки).

Частинки вивільняються в спокої відносно обертової системи координат. Таким чином, вони мають ненульову початкову швидкість щодо невращающейся (інерційної) системи координат. Через фіктивних відцентрових сил і сил Коріоліса частинки рухаються по спіралі до кордону. *

При запуску частки покояться в невращающейся (інерційної) системі координат. Таким чином, під обертається системі координат швидкість системи віднімається з початкової швидкості під обертається (неінерціальної) системі. В результаті коріолісову і відцентрові сили врівноважують один одного, і частинки обертаються навколо осі обертання з постійною швидкістю.

Шлях до Бібліотеки додатків для прикладу, який демонструє опцію Rotating Frame (Обертається система координат):
Particle_Tracing_Module / Tutorials / turbomolecular_pump

Випадкові початкові позиції

Тепер можна випускати частинки у випадкових початкових положеннях на обраних областях, кордони і ребрах. Вибираються унікальне місце розташування в кожен момент випуску. Ця функція доступна в опціях Release (Звільнити), Inlet (Вхід) і Release from Edge (Звільнити на ребрі).

Частинки випускаються в випадкових місцях на кордоні об'єкта Inlet _ (Вхідний канал) і проходять через циліндричну трубу. Колірна шкала кодує час іспусканія._

Стрічки на траєкторії частинок

Тепер можна візуалізувати траєкторії частинок у вигляді стрічок. На відміну від ліній і трубок, побудова графіків траєкторій частинок у вигляді стрічок дає можливість вказувати орієнтацію, а також шлях руху частинки. Для викривлених траєкторій зручно використовувати вбудовані вирази для нормального і бинормального напрямків, щоб було зручніше спостерігати за рухом частинок.

Вибірка системи координат для вхідних каналів

При випуску частинок на кордоні з допомогою опції Inlet (Вхідний канал) можна привласнити початкову швидкість частинки або імпульс, використовуючи будь-яку систему координат, певну для компонента моделі.

Розподіл швидкостей Ламберта

В опціях випуску частинок тепер є можливість випуску частинок з тривимірним розподілом швидкостей Ламберта. Частинки випускаються з початковими напрямками на основі закону косинуса Ламберта, в молекулярній динаміці відомого як закон косинуса Кнудсена.

Закон косинуса Ламберта говорить, що ймовірність того, що частка буде вивільнена через диференційний тілесний кут dω з полярним кутом θ, пропорційна cos θ. Для порівняння, в ізотропному напівсферичним розподілі частка в рівній мірі може виходити через будь-який диференційний тілесний кут в півкулі.

Неоднорідні величини розподілу швидкостей

Для сферичних, напівсферичних, конічних і ламбертових розподілів швидкостей тепер можна випускати частинки з розподілом швидкостей і напрямків.

За замовчуванням кожна частка, яка випускається з тієї ж точки розподілу швидкості, буде мати однакову величину. Однак, висловлюючи початкову швидкість через унікальний індекс частинок, можна використовувати різну початкову швидкість для кожної частинки без зміни розподілу напрямків частинок. Таким чином можна легко включити розподіл швидкості частинок або енергії, а також напрямок руху.

Підйомна сила

В інтерфейсі Particle Tracing for Fluid Flow (Трасування частинок в потоці рідини) з'явилася спеціальна опція Lift Force (Підйомна сила). Підйомні сили мають значення, коли частинки рухаються в неоднорідному полі скоростeй рідини. Сила опору діє на частку паралельно швидкості рідини, в той час як підйомна сила зазвичай діє по нормалі до напрямку руху рідини.

Є два різних опису підйомної сили: формули Saffman (Саффмана) і Wall induced (Индуцированная стінкою). Формула Saffman (Саффмана) для підйомної сили може бути застосована до інерційним часткам в сдвиговом потоці, які знаходяться на значній відстані від кордонів. Є спеціальна формула Wall induced (Индуцированная стінкою) для частинок з нейтральною плавучістю в каналах.

Анізотропна турбулентна дисперсія

При додаванні випадкового турбулентного дисперсионного доданка до сили опору частинок в рідині з використанням моделі безперервного випадкового блукання турбулентна дисперсія тепер може бути або ізотропної (за замовчуванням), або анизотропной. Якщо використовується анізотропна турбулентність, складові турбулентної дисперсії обчислюються з використанням конкретних виразів для потокових, прогонових і нормальних по відношенню до стінки напрямків. Анізотропна турбулентність може забезпечити більш реалістичне зображення руху частинок в турбулентному потоці, коли частинки знаходяться близько до стінок.

термоелектронна емісія

Спеціалізована опція Thermionic Emission (Термоелектронна емісія), представлена в інтерфейсі Charged Particle Tracing (Трасування заряджених частинок), дозволяє моделювати випускання електронів з нагрітого металевого катода. Сукупна щільність струму, що протікає через кордон, обчислюється за законом Річардсона при заданих ефективної константі Річардсона, роботі виходу метала і температурі.

Шлях до Бібліотеки додатків для прикладу, що показує опцію Thermionic Emission (Термоелектронна емісія):
Particle_Tracing_Module / Charged_Particle_Tracing / planar_diode

Поправочний коефіцієнт для сили опору руху частинок поблизу стінки

Новий поправочний коефіцієнт враховує силу опору, що діє на частинки поблизу стінок. Найчастіше закони опору, такі як закон опору Стокса, формулюються в припущенні, що частка надзвичайно мала в порівнянні з геометричними розмірами моделі. Введення поправки підвищує точність, коли відношення радіуса частки до відстані до найближчої стінки не є пренебрежимо малою величиною. Просто відзначте прапорець Include wall corrections (Включити пристінкові поправки), щоб ввести в розрахунок ці поправки.

Вікно налаштувань (Settings) для опції Drag Force (Сила опору) з можливістю вибору прапорця Include wall corrections (Включити пристінкові поправки), який враховує вплив оточуючих стінок.

Вікно налаштувань (Settings) для опції Drag Force (Сила опору) з можливістю вибору прапорця Include wall corrections (Включити пристінкові поправки), який враховує вплив оточуючих стінок.

Умова симетрії при трасуванні частинок

Спеціальне гранична умова Symmetry (Симетрія) є тепер в інтерфейсах Charged Particle Tracing (Трасування заряджених частинок) і Particle Tracing for Fluid Flow (Трасування частинок в потоці рідини). Воно зменшує розмір моделі і вимоги до обчислювальних ресурсів для її вирішення. Умова симетрії можна розглядати як окремий випадок граничної умови Wall (Стінка), коли частинки моделі повинні дзеркально відбиватися від кордону. Ця умова означає, що для кожної частинки, яка покинула б область моделювання, пройшовши через площину симетрії, ідентична частка увійшла б в той же час і в тому ж місці в цю область моделювання.

Додаткові тимчасові кроки при візуалізації траєкторій

При побудові графіків траєкторій частинок тепер стало легше використовувати додаткові тимчасові кроки, що відповідають моментам взаємодії частинок зі стінками. Кількість цих додаткових тимчасових кроків тепер можна контролювати безпосередньо у вікні Settings (Настройки) для графіка Particle Trajectories (Траєкторії часток). Вбудовані опції дозволяють задавати максимальне число додаткових тимчасових кроків безпосередньо або як кратне число тимчасових кроків збереженого рішення.

Нові опції для пар входу

Якщо частинки пропускаються через пару входу в збірці, тепер можна вибрати, пропускати чи частки тільки через кордон джерела, тільки через кордон місця призначення або через обидві кордону. Це найбільше помітно, якщо використовувати засноване на сітці опис пропускання частинок, оскільки сітка з кожного боку пари може відрізнятися.

Альтернативний спосіб призначення ваг в двосторонньо-пов'язаних моделях просторового заряду.

При використанні кроку дослідження Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двусторонне-пов'язана трасування частинок) для моделювання взаємодії частинок і електричного поля тепер можна призначати різні величини ваги щільності просторового заряду, що обчислюються під час різних ітерацій решателя. Є вбудовані опції, що дозволяють зробити величини ваг постійними (за замовчуванням) або збільшувати їх в арифметичній або геометричній прогресії. Такий підхід може прискорити збіжність двосторонньо-пов'язаних моделей, в яких електричне поле і траєкторії заряджених частинок роблять сильний вплив один на одного.

Величини ваг для просторової щільності заряду на кожній ітерації дослідження Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двусторонне-пов'язана трасування частинок) можуть бути однорідними, підкорятися арифметичної (показано зверху) або геометричній прогресії.

Величини ваг для просторової щільності заряду на кожній ітерації дослідження Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двусторонне-пов'язана трасування частинок) можуть бути однорідними, підкорятися арифметичної (показано зверху) або геометричній прогресії.

Критерії завершення на основі збіжності для двосторонньо-пов'язаних моделей

Для моделей, що використовують крок дослідження Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двусторонне-пов'язана трасування частинок) при ітераціях між стаціонарними і нестаціонарними рішеннями, тепер можна припиняти процес вирішення завдання на підставі критерію збіжності замість виконання фіксованого числа ітерацій. Наприклад, моделюючи двосторонньо-пов'язані взаємодії частинок і поля, можна припинити дослідження, коли відносна помилка струму електронів або іонів достатня мала. Це дозволяє встановити необхідний рівень точності, що не витрачаючи при цьому обчислювальні ресурси для завершення фіксованого числа ітерацій після того, як ця умова виконана.

Нові інструменти зв'язування компонентів для частинок

Нові зв'язки компонентів створюються автоматично для кожного екземпляра інтерфейсу трасування частинок, а поведінка старих зв'язок компонентів змінилося. Старі брязкаючи компонентів, наприклад, pt.ptop1 (expr), тепер автоматично виключають обидві частки, які ще не були поширені або зникли. Ступені свободи таких частинок зазвичай представляються як «не числом» (NaN), так що їх зручно виключати при обчисленні сум і середніх значень на множині всіх частинок.

Наступна таблиця представляє список всіх з'єднань компонентів, які автоматично створюються для інтерфейсу Mathematical Particle Tracing (Математична трасування частинок).

Name Description `pt.ptop1 (expr)` Sum of expression `expr` over active, stuck, and frozen particles` pt.ptop_all1 (expr) `Sum of expression` expr` over all particles `pt.ptaveop1 (expr)` Average of expression `expr` over active, stuck, and frozen particles` pt.ptaveop_all1 (expr) `Average of expression` expr` over all particles `pt.ptmaxop1 (expr)` Maximum of expression `expr` over active, stuck, and frozen particles `pt.ptmaxop_all1 (expr)` Maximum of expression `expr` over all particles` pt.ptminop1 (expr) `Minimum of expression` expr` over active, stuck, and frozen particles `pt.ptminop_all1 (expr)` Minimum of expression `expr` over all particles` pt.ptmaxop1 (expr, evalExpr) `Evaluate` evalExpr` at the maximum of expression `expr` over active, stuck, and frozen particles` pt.ptmaxop_all1 (expr, evalExpr) `Evaluate` evalExpr` at the maximum of expression `expr` over all particles` pt.ptminop1 (expr, evalExpr) `Evaluate` evalExpr` at the minimum of expression `expr` over active, stuck, and fro zen particles `pt.ptminop_all1 (expr, evalExpr)` Evaluate `evalExpr` at the minimum of expression` expr` over all particles

Додаткова статистика, заснована на стані частинок

Коли обраний прапорець Store particle status data (Зберегти дані про стан частинок), будуть визначені наступні нові змінні.

(Примітка: Вирази записані для кожного екземпляра інтерфейсу Mathematical Particle Tracing (Математична трасування частинок) з поміткою pt. Позначки фізичного інтерфейсу, природно, будуть різні для різних фізичних інтерфейсів.)

Tag Name Description pt.fac `pt.ptop1 (pt.fs == 1)` Fraction of particles active at final time pt.ffr `pt.ptop1 (pt.fs == 2)` Fraction of particles frozen at final time pt .fst `pt.ptop1 (pt.fs == 3)` Fraction of particles stuck at final time pt.fds `pt.ptop1 (pt.fs == 4)` Fraction of particles disappeared at final time pt.fse `pt .ptop1 (! primary && pt.fs> 0) / pt.Ms` Fraction of secondary particles released at final time

Нова навчальна модель: тест інерційної фокусування

Як відомо вже 50 років, частинки з нульовою плавучістю в проточному каналі прагнуть зібратися в певних точках поперечного перерізу каналу. При перебігу Пуазейля в циліндричній трубі рівноважний стан знаходиться на відстані 0,6 радіуса від осі труби, а в плоскому каналі - на відстані 0,2 ширини, якщо відраховувати від стінки каналу. Це явище іноді називають ефектом Сегре - Зільберберга, а кільце частинок, розташоване на відстані 0,6 радіуса від осі труби, іноді називають кільцем Сегре - Зільберберга.

У даній моделі ми відтворюємо випадок проточного каналу, обмеженого двома паралельними стінками. На частинки з нульовою плавучістю, що рухаються в потоці з параболічним профілем швидкості, діють сила опору і підйомна сила. У міру руху частинок уздовж каналу, під впливом інерційної підйомної сили частки займають рівноважний стан на відстані 0,3 D від центру, де D - відстань між стінками. Ці рівноважні положення узгоджуються з ефектом Сегре - Зільберберга.

Траєкторії часток в прямокутному каналі. Колірна шкала використовується для візуалізації значень _ y -компоненти швидкості частинки. Варто зазначити, що канал отмасштабовані для зручності спостереження, хоча насправді має співвідношення сторін 1000: 1._

Шлях до файлів в Бібліотеці додатків:
Particle_Tracing_Module / Fluid_Flow / inertial_focusing

Нова навчальна модель: Термоелектронна емісія в планарном діоді

Коли електрони випускаються нагрітим катодом в плоскопаралельному вакуумному діоді, вони впливають на зміну щільності просторового заряду в діоді, що в свою чергу впливає на розподіл електричного потенціалу. Якщо різниця потенціалів між катодом і анодом недостатньо велика, між ними формується потенційний мінімум, відштовхуючий електрони з недостатньою енергією назад до катода. Про таке діод кажуть, що він працює в режимі струму, обмеженого просторовим зарядом.

У цій тестовій моделі використовується спеціалізована опція Thermionic Emission (Термоелектронна емісія) для випускання електронів з катода з певною температурою і роботою виходу. Електронні траєкторії двосторонньо пов'язані з обчисленням електричного потенціалу в діоді за допомогою мультіфізіческой зв'язку Electric Particle Field Interaction (Електричне взаємодія частинок і поля) і кроку дослідження Bidirectionally Coupled Particle Tracing (Двусторонне-пов'язана трасування частинок). Розподіл електричного потенціалу і анодний струм добре співвідносяться з аналітичною моделлю Ленгмюра - Фрая.

Шлях до файлів в Бібліотеці додатків:
Particle_Tracing_Module / Charged_Particle_Tracing / planar_diode

Нова навчальна модель: Еквіпотенціальна лінза

Еквіпотенціальна лінза - це електростатичне пристрій, що використовується для фокусування пучків заряджених частинок. Вони застосовуються в катодно-променевих трубках, в експериментах з іонними та електронними пучками, а також іонних рухових системах. Ця модель складається з трьох співвісних циліндрів. Зовнішні циліндри заземлені, в той час як циліндр посередині знаходиться під постійною напругою. Тривимірне електростатичне поле обчислюється за допомогою інтерфейсу Electrostatics (Електростатика), а траєкторії частинок - за допомогою інтерфейсу Charged Particle Tracing (Трасування заряджених частинок).

Шлях до файлів в Бібліотеці додатків:
Particle_Tracing_Module / Charged_Particle_Tracing / einzel_lens

Нова навчальна модель: турбомолекулярний насос

Інтерфейс Free Molecular Flow (Вільний молекулярний потік), представлений в модулі Молекулярні течії , - це ефективний засіб моделювання розріджених газів, в яких молекули газу рухаються набагато швидше будь-яких інших геометричних об'єктів в області. Для турбомолекулярних насосів, в яких лопаті рухаються зі швидкостями, порівнянними з теплової швидкістю молекул газу, потрібно застосовувати метод Монте-Карло.

У цьому прикладі траєкторії молекул газу обчислюються в порожньому просторі між двома обертовими лопатями турбомолекулярного насоса. Ця модель використовує нову опцію Rotating Frame (Обертається система координат), в якій відцентрова і коріолісова сили додаються до частинкам, дозволяючи обчислювати траєкторії в неінерціальної системи координат, що рухається разом з обертовими лопатями. Вплив швидкості лопатей на коефіцієнт стиснення показано за допомогою параметричного дослідження.

Примітка: Для моделі в цьому прикладі потрібно модуль Молекулярні течії.

Шлях до файлів в Бібліотеці додатків:
Particle_Tracing_Module / Tutorials / turbomolecular_pump