粒子追蹤模組更新

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粒子追蹤模組更新

COMSOL Multiphysics ® 5.3版本針對“粒子追蹤模組”的用戶新增了許多功能,尤其是周期性條件特徵和旋轉坐標系特徵,分別用於扇形機械和旋轉機械中的粒子追蹤。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“粒子追蹤模組”中的所有新增特徵和功能。

粒子追蹤週期性條件

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蹤。當粒子到達設有周期性條件的表面時,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達式設為新值。

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

粒子追蹤中的旋轉坐標系特徵現在可用於旋轉參考坐標系。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。在旋轉坐標系中進行粒子追蹤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進行定義,還是根據慣性(非旋轉)坐標系進行定義。高級設置欄中選中從初始粒子速度中減去動坐標系速度複選框後,會激活後一特徵。

相對於旋轉參考坐標系釋放空閒粒子;即,相對於非旋轉(慣性)坐標系,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。

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)坐標系中的初始速度減去坐標系的速度。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特徵的示例,請訪問以下“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。可以在釋放入口從邊釋放特徵中使用此功能。



粒子在入口邊界的隨機位置處釋放後通過圓柱管道。顏色表達式與釋放時間成正比。

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置表達式非常有用,這樣可以更清晰地顯示粒子的運動。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中粒子軌跡可視化為帶狀的示例。

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。

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。

朗伯速度分佈

粒子釋放特徵現在包含一個用於釋放三維中呈朗伯速度分佈的粒子的選項。粒子釋放時,初始方向基於朗伯餘弦定律,也就是分子動力學中著名的克努森餘弦定律。

朗伯餘弦定律指出,粒子通過微分立體角元素dω 釋放時,極角θ 與cos θ 成正比。與此相比,在各向同性半球分佈中,粒子通過半球中的任意等分立體角釋放。

各向同性半球釋放和朗伯釋放之間的可視比較。 呈各向同性半球釋放的粒子分佈(左側繪圖)和呈朗伯釋放的粒子分佈(右側繪圖)的比較。呈朗伯釋放的粒子大部分都較靠近半球軸。 呈各向同性半球釋放的粒子分佈(左側繪圖)和呈朗伯釋放的粒子分佈(右側繪圖)的比較。呈朗伯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。

默認情況下,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。

包含速度分佈及方向的粒子釋放演示。

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。

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蹤接口。當粒子在非均勻流體速度場中運動時,升力至關重要。曳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公式和壁誘發公式。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。專門的壁誘發公式可用於流道中的懸浮粒子。

各向異性湍流分散

使用連續隨機遊走模型對流體中作用在粒子上的曳力施加隨機湍流分散項時,湍流分散現在可以是各向同性(默認設置)或各向異性。如果使用各向異性湍流,則可以使用沿流向、沿展開方向和壁法向的特定表達式計算湍流分散項。當粒子靠近壁時,各向異性湍流可以更真實地描述湍流中的粒子運動。

電子的熱發射

帶電粒子追蹤接口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。

“粒子追蹤模組”中“熱發射”特徵的示例。 邊界上的電子熱發射。顏色表達式與電子的動能成正比。 邊界上的電子熱發射。顏色表達式與電子的動能成正比。


有關顯示熱發射特徵的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Particle_Tracing_Module/Charged_Particle_Tracing/planar_diode

近壁粒子的曳力校正因子

新版本中增加了一個新的曳力校正因子用於調整粒子靠近壁時受到的曳力。Stokes曳力定律等大多數常用的曳力定律都假定,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複選框。

選中“包含壁修正”選項的COMSOL 軟件圖形用戶界面屏幕截圖。

曳力特徵的“設置”窗口,其中選中了包含壁修正選項,以分析靠近壁的影響。

曳力特徵的“設置”窗口,其中選中了包含壁修正選項,以分析靠近壁的影響。

粒子追蹤的對稱條件

帶電粒子追蹤接口和流體流動粒子追蹤接口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

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。這些額外時間步的數量現在可以從粒子軌跡圖的“設置”窗口中直接控制。內置選項可用於直接指定額外時間步的最大數量,或指定為存儲解的時間步的倍數。

四個包含不同額外時間步數的軌跡圖。 隨著軌跡圖中的額外時間步數的增加,可以更清晰地看到每個粒子從壁反射的次數。 隨著軌跡圖中的額外時間步數的增加,可以更清晰地看到每個粒子從壁反射的次數。

入口對的新選項

從裝配上定義的入口對釋放粒子時,現在可以選擇僅釋放源邊界上的粒子、僅釋放目標邊界上的粒子,或釋放源邊界和目標邊界上的粒子。在基於網格釋放粒子時,此功能特別有用,因為一致對每一側上的網格可能不同。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新的入口對選項演示。

基於網格釋放粒子,從源邊界釋放(左側繪圖)、從目標邊界釋放(中間繪圖)或從源邊界和目標邊界釋放(右側繪圖)。在每個圖中,源邊界位於網格顏色較淺一側。

基於網格釋放粒子,從源邊界釋放(左側繪圖)、從目標邊界釋放(中間繪圖)或從源邊界和目標邊界釋放(右側繪圖)。在每個圖中,源邊界位於網格顏色較淺一側。

在雙向耦合空間電荷模型中指定權重的替代方法

在使用雙向耦合粒子追蹤研究步驟模擬電-粒子場相互作用時,現在可以在求解器循環的不同迭代過程中對計算的空間電荷密度指定不同的權重。內置的選項使權重值保持恆定(默認設置)或在等差數列或幾何序列中遞增。對於電場和帶電粒子的軌蹟之間相互影響十分明顯的雙向耦合模型,這一方法可以加快模型的收斂速度。

顯示“電-粒子場相互作用”設置的COMSOL 軟件GUI 屏幕截圖。

雙向耦合粒子追蹤研究的每個迭代中空間電荷密度的權重可以相同、呈等差數列(如上圖)或呈幾何序列。

雙向耦合粒子追蹤研究的每個迭代中空間電荷密度的權重可以相同、呈等差數列(如上圖)或呈幾何序列。

雙向耦合模型的基於收斂性的終止準則

對於使用雙向耦合粒子追蹤研究步驟在穩態解和瞬態解之間迭代的模型,現在如果要終止求解器循環,可以基於收斂準則,而不是固定迭代次數。例如,在模擬雙向耦合的粒子-場相互作用時,如果電子流或離子流中的相對誤差足夠小,則可以終止此研究。此功能支持用戶聲明所希望的精度級別,而不必在滿足此準則後將過多的計算資源消耗在完成固定的迭代數上。

新的粒子組件耦合

此版本對粒子追蹤接口的每個實例自動創建了新的組件耦合,還更改了舊的組件耦合特性。例如,舊的組件耦合pt.ptop1(expr)現在自動排除了尚未釋放的粒子以及消失的粒子。此類粒子的自由度通常為非數(NaN),因此在對粒子求和以及計算平均值時可以很方便地將其自動排除。

下表列出了針對數學粒子追蹤接口自動創建的組件耦合。

Name 描述
`pt.ptop1(表達式)` 表達的總和`expr`過度活躍,卡住了,冷凍顆粒
`pt.ptop_all1(表達式)` 表達的總和`expr`在所有顆粒
`pt.ptaveop1(表達式)` 表達的平均`expr`過度活躍,卡住,並冷凍顆粒
`pt.ptaveop_all1(表達式)` 表達的平均`expr`在所有顆粒
`pt.ptmaxop1(表達式)` 表達的最大`expr`過度活躍,卡住,並冷凍顆粒
`pt.ptmaxop_all1(表達式)` 表達的最大`expr`在所有顆粒
`pt.ptminop1(表達式)` 表達的最小`expr`過度活躍,卡住,並冷凍顆粒
`pt.ptminop_all1(表達式)` 表達的最小`expr`在所有顆粒
`pt.ptmaxop1(表達式,evalExpr)` 評估`evalExpr`在最大表達的`expr`過度活躍,卡住,並冷凍顆粒
`pt.ptmaxop_all1(表達式,evalExpr)` 評估`evalExpr`在最大表達的`expr`在所有顆粒
`pt.ptminop1(表達式,evalExpr)` 評估`evalExpr`在最小表達的`expr`過度活躍,卡住,並冷凍顆粒
`pt.ptminop_all1(表達式,evalExpr)` 評估`evalExpr`在最小表達的`expr`在所有顆粒

基於粒子狀態的額外統計信息

在選中存儲粒子狀態數據複選框時,將定義下列新變量。

(注:對於數學粒子追蹤接口中的實例,在編寫表達式時使用標記pt。物理場接口標記因此將根據不同的物理場接口而有所不同。)

標籤 Name 描述
pt.fac Pt.ptop1'(pt.fs == 1)' 在最後的時間活性顆粒的分數
pt.ffr Pt.ptop1'(pt.fs == 2)' 顆粒的分數鎖定在最後的時間
pt.fst Pt.ptop1'(pt.fs == 3)' 顆粒的分數停留在最後的時間
pt.fds Pt.ptop1'(pt.fs == 4)' 顆粒的分數消失在最後的時間
pt.fse `pt.ptop1(!初級&& pt.fs> 0)/ pt.Ms` 二次粒子的分數在最終時間釋放

 

新教程:慣性聚焦基準模型

50多年前,人們就已經知道,流道中的懸浮粒子趨於在流道橫截面的特定位置聚焦。對於圓柱管或其中流體為泊肅葉流的兩個平行平面,平衡位置約為0.6倍的管道半徑處,或距平行壁大約0.2倍流道寬度的距離處。這種現像有時稱為Segre-Silberberg效應,半徑為管道半徑0.6倍的粒子環有時稱為Segre-Silberberg環

在這個基準模型中,我們重現了邊界為兩個平行壁的流道中的情況。當懸浮粒子沿流體速度呈拋物線分佈的流道運動時,這些粒子上會產生與壁相關的升力和曳力。當粒子通過此流道時,慣性升力使粒子在中心為0.3 D的距離處達到平衡,其中D是壁間距。平衡位置與Segre-Silberberg效應得到的值一致。

矩形流道中的粒子追蹤。顏色表達式表示粒子速度的 y 分量。注:為演示得更清晰,對流道進行了放大,實際寬高比為1000:1。


“案例庫”路徑:
Particle_Tracing_Module / Fluid_Flow / inertial_focusing

新教程:平面二極管中的熱電子發射

電子從平面平行真空二極管的熱陰極發射,使二極管中空間電荷密度增大,由此影響電位分佈。如果陰極和陽極之間的電位差不是特別大,則在兩極之間形成最低電位,阻止能量不足的電子回到陰極。這樣的二極管被認為在空間電荷限定區域工作。

在此基準模型中,一個專門的熱發射特徵用於從溫度和逸出功已指定的陰極釋放熱電子。通過使用專門的電-粒子場相互作用多物理耦合及雙向耦合粒子追蹤研究步驟,電子軌跡與二極管中的電位計算進行了雙向耦合。電位分佈和陽極電流與解析的Langmuir-Fry模型的結果非常一致。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中“平面二極管中的熱電子發射”教程的線圖。 平面二極管中靠近陰極的電位與參考數據的比較。在此模型中包含自洽的粒子-場相互作用時,在陰極附近形成位壘。 平面二極管中靠近陰極的電位與參考數據的比較。在此模型中包含自洽的粒子-場相互作用時,在陰極附近形成位壘。

“案例庫”路徑:
Particle_Tracing_Module / Charged_Particle_Tracing / planar_diode

新教程:單透鏡

單透鏡是用於聚焦帶電粒子束的靜電裝置,可用於陰極射線管、離子束和電子束試驗以及離子推進系統。此特殊模型由三個軸向對齊的圓柱構成,外側的兩個圓柱接地,中間的圓柱接有固定電壓。使用靜電接口計算了三維靜電場,使用帶電粒子追蹤接口計算了離子軌跡。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中“單透鏡”教學模型中的等值面圖。 單透鏡中的電子軌跡。電子束在兩個電極附近聚焦,圖中顯示了電位的等值面。 單透鏡中的電子軌跡。電子束在兩個電極附近聚焦,圖中顯示了電位的等值面。

“案例庫”路徑:
Particle_Tracing_Module / Charged_Particle_Tracing / einzel_lens

新教程:渦輪分子泵

當極稀薄氣體分子的移動速度比域中的任何幾何實體都快得多時,自由分子流接口(位於分子流模組)是模擬這類氣體的有效工具。在渦輪分子泵中,葉片的運動速度與氣體分子的熱速度相當,這時需要使用Monte Carlo方法。

本例計算了渦輪分子泵的兩個旋轉葉片間的空隙內氣體分子的軌跡,使用新增的旋轉坐標系特徵,對粒子施加離心力和地球自轉偏向力後,計算了旋轉葉片所在的非線性參考系中的粒子軌跡。使用“參數化掃描”顯示了葉片速度對壓縮因子的影響。

注:示例中的模型還需要“分子流模組”。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中的“渦輪分子泵”模型屏幕截圖。

“渦輪分子泵”教學模型的屏幕截圖。當葉片速度提高時,大部分的分子向前運動通過泵,少量分子向後運動,表示為壓縮比的增加。

“渦輪分子泵”教學模型的屏幕截圖。當葉片速度提高時,大部分的分子向前運動通過泵,少量分子向後運動,表示為壓縮比的增加。

“案例庫”路徑:
Particle_Tracing_Module/Tutorials/turbomolecular_pump