功能強大的處理工具
強大的處理工具使您可以精細地可視化所計算的粒子軌跡。可以通過點、彗尾、線或管來表示粒子軌跡。可以簡便地創建動畫,並直接在圖形用戶界面(GUI)中查看或導出到文件。粒子軌跡可以使用依賴於粒子、場或兩者任意組合的任意表達式進行著色。在模擬大量粒子軌跡的情況下,可以根據邏輯表達式篩選出特定的粒子軌跡。粒子軌跡可以投影到低維上,並使用Poincaré 映射圖或相圖可視化。此外,還可以對粒子進行一些操作,計算並繪製所有粒子的一些物理量的最大值、最小值、平均值或積分值。粒子軌跡數據本身可以計算,寫入結果表或導出到文件。您可以使用一維或二維直方圖,簡便地顯示粒子的速度和能量分佈。
電場和磁場中的帶電粒子
帶電粒子(例如電子、單個離子或小離子簇)會受電場和磁場中的三種主要作用力影響:
▲電力,由電勢梯度或時變磁向量勢生成。帶負電荷的粒子的運動方向與電場方向相反,
帶正電荷的粒子的運動方向與電場方向相同。電場力會對這些粒子做功。
▲磁力,它不會對帶電粒子做功,但會顯著改變其軌跡。對於帶電粒子,磁力通常會
產生“香蕉形”軌道,導致它們按磁場線作軌道運動,離磁場線的距離與其質量成正比。
▲碰撞力,在帶電粒子與背景氣體碰撞時產生。背景氣壓越高,碰撞力的作用就越重要。
如果帶電物質的數密度小於約 1013 1/m3,則粒子對場的影響可以忽略不計。這使您可以獨立於粒子軌跡而計算背景場。然後這些場用來計算粒子上的電力、磁力和碰撞力。粒子軌跡可以在它們單獨的求解中計算,這使得可以使用計算量小且高效的迭代求解器。
粒子追蹤求解
對於每個粒子,位移向量的每個分量均需通過一個常微分方程來求解。這意味著在三維下,需要對於每個粒子求解三個常微分方程,在二維下為兩個。在每個時間步長,在粒子當前空間位置的物理場中計算作用於每個粒子的力。如果模型中考慮粒子-粒子相互作用力,則會將其加到總作用力中。然後更新粒子位置,此過程不斷重複直到指定的模擬結束時間。由於粒子追蹤模組使用最通用的公式來計算粒子軌跡,所以粒子追蹤介面可以用於模擬電磁場中的帶電粒子運動、大型行星和星系運動,以及層流、紊流和兩相流體系統中的粒子運動。
流體粒子追蹤的研究
微觀和巨觀尺寸粒子的主要運動作用力通常是浸沒液體中的粒子上的阻力。系統中存在兩個相態:由氣泡、粒子或液滴組成的離散相,以及浸沒粒子的連續相。可以使用粒子追蹤模型的系統應為稀薄流或分散流。這意味著離散相的體積應遠小於連續相的體積比例(通常小於 1%)。當粒子的體積比不是很小時,流體系統將歸類為濃溶液流體,應該採用其它模擬方法。使用粒子追蹤方法時應該認識到,粒子追蹤方法不會使粒子取代它們佔據的流體。
在稀流體中,連續相會影響粒子的運動,但反之則不然。這通常稱為“單向耦合”。模擬這種系統時,通常先求解連續相,然後再計算分散相的軌跡,這樣的效率最高。
在稀溶液中,連續相會影響粒子的運動,粒子運動反過來會擾亂連續相。這通常稱為“雙向耦合”。為了模擬這種效應,必須同時計算連續相和分散相。因此,模擬稀薄流的計算量顯著高於模擬稀疏流。