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模擬真空系統中低壓氣體流動的軟體

精確模擬低壓低速氣體流動

分子流模組提供了一些先前不具備的模擬功能,用於複雜幾何結構中的低壓低速氣體的精確模擬。它非常適合於真空系統的模擬,包括在半導體加工、粒子加速器和質譜儀中的系統。此外,還可以模擬微小孔道內的流體,例如,葉岩氣勘探和奈米多孔材料中的流動。

分子流模組使用快速角係數法來模擬穩態自由分子流動。您可以模擬等溫和非等溫分子流動,並自動計算氣體分子的熱通量貢獻。模組中也包含了離散速度法,用於過渡流的模擬。

  • 该模型使用自由分子流接口中的角系数法和利用数学粒子追踪接口建立的 Monte Carlo 法(需要粒子追踪模块),计算通过 RF 耦合器的传输概率。

模擬自由分子流和過渡流的兩種方法

分子流模組提供了兩種替代方法,使您可以採用易控且精確方式求解低流和低壓流動。模組提供了兩個特定的物理介面,它們通過圖形用戶界面 (GUI) 配置模型輸入,完成整個方程組的設定:

自由分子流

自由分子流介面使用角係數法對 Knudsen 數大於 10 的流體進行模擬。該物理介面可以不必求解幾何體中的物理場,而只需對表面進行網格剖分。假定幾何結構的所有表面均發生完全漫散射(總調節)和發射,並通過對從某個表面視線內所有其他表面到達該表面的通量進行積分而計算流量。這意味著只有幾何表面上存在因變量,求解過程比 DSMC 方法快得多。此外,它不會受統計分散問題影響。自由分子流介面中還包含了重建數密度的方法。

過渡流

過渡流介面採用 Lattice Boltzmann/離散速度法的修正形式來求解 Boltzmann BGK 方程,以求解過渡流。不同於 DSMC 方法,這種方法的求解不會受統計噪聲影響。此外,還假定氣體分子在所有表面上發生漫反射,來自所有方向的分子都在表面上被有效地吸收,隨後按照 Knudsen 定律重新發射。在該介面中,通過對模型幾何進行網格剖分來離散化物理空間,並可以選擇速度離散階次,這將提供表示速度空間網格的因變量。網格和離散均可以獨立地進行調整,以確保在物理和速度空間中解決問題。

快速且精確的優化模擬方法

低壓下的氣體不能使用常規的計算流體力學模型進行模擬。這是因為當氣體分子的平均自由程變得與流動尺度相當時,動力學效應會變得非常重要。流體的類型通過 Knudsen  (Kn) 定量地分類,Knudsen 數表示分子平均自由程與氣體的流體域尺度大小之比:

流體類型

Knudsen 

Continuum flow

Kn<0.01

Slip flow

0.01<Kn<0.1

Transitional flow

0.1<Kn<10

Free molecular flow

Kn>10

微流體模組用於模擬滑動流和連續流,而分子流模組用於精確模擬自由分子流和過渡流。歷史上,該類型的流動已通過直接模擬 Monte Carlo (DSMC) 方法進行了模擬。這可以計算大量隨機粒子在系統中的運動軌跡,但會在模擬過程中引入統計噪聲。對於低速流動(例如在真空系統中的流動),由 DSMC 渲染器引起的噪聲會使模擬變得不可行。COMSOL® 使用一些替代方法:對於過渡流採用離散元速度法(使用 Lattice Boltzmann 速度矩),對於分子流動採用角係數法。