粒子追蹤模組更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對粒子追踪模組的用戶新增了許多功能,尤其是週期性條件特徵和旋轉坐標系統特徵,分別用於扇形機械和旋轉機械中的粒子追踪。此外,您還可以定義粒子釋放的隨機初始位置,並使用色帶來對粒子的路徑可視化。請閱讀以下內容,了解粒子追踪模組中的所有新增特徵和功能。

 

粒子追踪週期性條件

您可以使用新增的週期性條件特徵模擬週期性結構或呈扇形對稱的幾何中的粒子追踪。當粒子到達設有週期性條件的表面時,它會立即映射到第二個表面的目標點上。在粒子映射到目標表面後,其速度可以保持不變,方向發生旋轉(呈扇形對稱),也可以通過用戶定義的表示式設為新值。

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大量粒子正通過一個呈扇區對稱的域,其顏色根據其唯一的粒子索引確定

 

旋轉坐標系統

粒子追踪中的旋轉坐標系統特徵現在可用於旋轉參考坐標系統。在您指定旋轉中心、旋轉方向,以及坐標系的角速度大小時,會自動對粒子施加離心力、地球自轉偏向力和歐拉力。在旋轉坐標系統中進行粒子追踪可以更輕鬆地模擬攪拌器和渦輪分子泵等旋轉機械中的粒子運動,因為粒子軌跡可以在移動幾何所附加的參考坐標系統中進行計算。

 

 

將此特徵添加到模型後,基於釋放的特徵將包含一個選項,用於指定初始粒子速度是根據旋轉坐標系統進行定義,還是根據慣性(非旋轉)坐標系統進行定義。在進階設定欄中選中從初始粒子速度中減去動坐標系統速度核取方塊後,會啟動後一特徵。

 

 

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Particles are released at rest with respect to the

相對於旋轉參考坐標系統釋放空閒粒子;即,相對於非旋轉(慣性)坐標系統,粒子的初始速度不為零。由於受虛擬離心力和地球自轉偏向力的作用,粒子朝邊界呈螺旋向外運動

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Particles are released at rest with respect to the

相對於非旋轉(慣性)參考坐標系釋放空閒粒子;即,從旋轉(非慣性)坐標系統中的初始速度減去坐標系統的速度。由此,離心力和地球自轉偏向力達到平衡,使粒子以定速繞旋轉中心運動


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

有關顯示旋轉坐標系統特徵的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Particle_Tracing_Module/Tutorials/turbomolecular_pump

 

隨機初始位置

現在您可以在選定的域、邊界和邊的隨機初始位置上釋放粒子。每次釋放都可以選擇不同的位置。可以在釋放、入口及從邊釋放 特徵中使用此功能。

 

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粒子在 入口邊界的隨機位置處釋放後通過圓柱管道。顏色表示式與釋放時間成正比

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帶狀的粒子軌跡

現在您可以將粒子軌跡可視化為帶狀。粒子軌跡繪製成帶狀與繪製成線和管均不同,繪製成帶狀後您可以靈活指定方向及粒子運動的路徑。對於彎曲的軌跡,對法向和副法向使用內建表示式非常有用,這樣可以更清晰地顯示粒子的運動。

An example of visualizing particle trajectories as ribbons in COMSOL Multiphysics version 5.3.

均勻磁場中帶電粒子的運動。帶的方向與彎曲軌蹟的副法向平行

入口的坐標系統選擇

使用入口特徵在邊界處釋放粒子時,您可以使用對模型組件已定義的任何坐標係來初始化粒子速度或動量。

 

Lambertian速度分佈

粒子釋放特徵現在包含一個選項,用於釋放初始方向呈Lambertian速度分佈的粒子。粒子釋放時,初始方向基於Lambertian餘弦定律,也就是分子動力學中著名的克努森餘弦定律。

 

Lambertian餘弦定律指出,粒子通過微分立體角元素 dω釋放時,極角θ與cos θ成正比。通過比較,在各向同性半球分佈中,粒子通過半球中的任何等分立體角釋放。

A visual comparison of isotropic hemispherical and Lambertian release.

呈各向同性半球釋放的粒子分佈(左側繪圖)和呈Lambertian釋放的粒子分佈(右側繪圖)的比較。呈Lambertian釋放的粒子大部分都較靠近半球軸。

非均勻的速度分佈

當粒子的速度分佈呈球形、半球形、錐形和朗伯分佈時,在釋放粒子時現在可以包含速度分佈及方向。

 

預設情況下,在速度分佈的同一點上釋放不同的粒子時,其速度大小將相同。不過,根據唯一的粒子索引表示初始速度時,您可以對每個粒子應用不同的初始速度,而不會改變粒子方向的分佈。這樣可以更輕鬆地包含粒子速度或能量的分佈以及方向。

A demonstration of releasing particles with a distribution of speeds and directions.速度均勻的粒子(左側繪圖)或不同速度呈偽隨機分佈的粒子(右側繪圖)。粒子速度方向的分佈未改變;這兩次釋放中,速度分佈都是一個各向同性圓

升力

一個專門的升力特徵現在可用於流體流動粒子追踪介面。當粒子在非均勻流體速度場中運動時,升力至關重要。阻力的方向與作用於粒子的流體速度平行,而升力通常與流體速度垂直。

 

表示升力時有兩個不同的公式:Saffman公式和壁公式。Saffman公式在表示升力時適用於剪切流中遠離邊界的慣性粒子。專門的壁公式可用於流道中的懸浮粒子。

 

異向性紊流分散

使用連續隨機遊走模型對流體中作用在粒子上的阻力施加隨機紊流分散項時,紊流分散現在可以是各向同性(預設設置)或異向性。如果使用異向性紊流,則可以使用沿流向、沿展開方向和壁法向的特定表示式計算紊流分散項。當粒子靠近壁時,異向性紊流可以更真實地描述紊流中的粒子運動。

 

電子的熱發射

帶電粒子追踪 介面中新增了一個專門的熱發射特徵,現在可用於模擬熱金屬陰極上電子的釋放。使用 Richardson 定律計算從邊界釋放的總電流密度,其中可以指定有效的 Richardson 常數、金屬的逸出功以及溫度。

An example of the Thermionic Emission feature in the Particle Tracing Module.

邊界上的電子熱發射。顏色表示式與電子的動能成正比


 

有關顯示熱發射特徵的案例,請搜尋以下“案例庫”路徑:

Particle_Tracing_Module/Charged_Particle_Tracing/planar_diode

 

近壁粒子的阻力校正因子

新版本中增加了一個新的阻力校正因子用於調整粒子靠近壁時受到的阻力。Stokes 阻力定律等大多數常用的阻力定律都假定,粒子與幾何大小相比極其小。當粒子半徑與到最近壁的距離之比並未小到可忽略時,採用壁修正可以提高精度。要啟用這些修正,只需選中包含壁修正核取方塊。

A screenshot of the COMSOL software GUI with the Include wall corrections option selected.

阻力特徵的設定視窗,其中選中了 包含壁修正選項,以分析靠近壁的影響

粒子追踪的對稱條件

帶電粒子追踪 介面和流體流動粒子追踪介面現在包含一個專門的對稱 邊界條件,可減少模型大小以及求解所需的計算資源。這是一種很有用的特殊壁 邊界條件,始終在邊界處對模型粒子強製鏡面反射。這意味著,對於要通過對稱平面離開建模域的每個粒子,全同粒子會在同一位置及同一時間進入建模域。

 

軌跡圖中的額外時間步階

在繪製粒子軌跡時,現在可以更輕鬆地繪製與粒子-壁相互作用的次數對應的額外時間步階。這些額外時間步階的數量現在可以從粒子軌跡圖的設定視窗中直接控制。內建選項可用於直接指定額外時間步階的最大數量,或指定為儲存解的時間步階的倍數。

Four trajectory plots with different numbers of extra time steps.

隨著軌跡圖中的額外時間步階數的增加,可以更清晰地看到每個粒子從壁反射的次數

入口對偶的新選項

從組合件上定義的入口對偶釋放粒子時