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放電模組是 COMSOL Multiphysics 模擬軟體的附加模組，用於理解、分析和預測氣體、液體和固體介電材料中的電氣放電行為。這包括對流光、電暈、介電障和電弧放電的分析。

放電模組的應用範圍涵蓋從消費性電子產品到高壓電力系統元件。模組能模擬閃電引發的電磁脈衝、靜電放電及其他相關事件，是產品開發中的重要工具，有助於降低實驗測試與原型製作的成本。

該模組與 COMSOL 產品系列中的其他模組無縫整合，包括電磁學、結構力學及流體動力學模組，讓使用者能探索與電氣放電相關的多重物理效應。

經過驗證與確認的模型，加速開發進程
放電模組具備強大的多重物理(multiphysics)能力，可用於模擬三維瞬態電弧放電(arc discharge)事件，並提供與實驗數據高度一致的結果。豐富的經驗證與確認(Verification and Validation, V&V)範例庫確保模擬的準確性，大幅減少冗長的驗證與確認流程，這些流程通常需要數週甚至數月時間。

可靠的虛擬模型對於處理高壓元件的產業特別重要，例如斷路器(circuit breakers)，預測準確度對於確保性能和安全至關重要。藉由補充實體原型和實驗測試，放電模組的模擬能優化開發流程，加速設計迭代(iterations)，並降低成本。 

放電模組能模擬什麼?!
模擬氣體、液體和固體中的電氣放電，以及它們界面上的電荷累積效應

流光放電(Streamer Discharges)
模擬氣體或液體介電材料中的流光放電，考慮撞擊電離(impact ionization)或場電離(field ionization)。

正極輝光電暈(Positive Glow Corona)
分析正極電暈放電，考慮電離層的影響。

特里歇爾脈衝(Trichel Pulses)
在30微秒的演變中解析特里歇爾脈衝的納秒動態。

介電障放電(Dielectric Barrier Discharges)
自動計算氣體與固體介電材料之間界面上的表面電荷累積與鬆弛。


靜電放電(Electrostatic Discharges, ESD)
模擬當人手接觸金屬時所經歷的靜電放電電流。


固體介電材料(Solid Dielectrics)
通過雙極性電荷傳輸模型解析電子、電洞及其陷阱對應物的動態行為。

電弧放電(Arc Discharges)
使用磁流體動力學(magnetohydrodynamics)方法模擬穩態直流電弧或瞬態電弧。

雷擊引起的電壓(Lightning-Induced Voltage)
計算雷擊引起的電壓，並探討其對輸電線、飛機和風力發電場的影響。

放電模組的功能與特性
在一個整合的平台中，高效、準確且輕鬆地模擬電氣放電。

詳細的電氣放電模擬 (Detailed Electric Discharge Simulations)
放電模組使得在2D、2D軸對稱和3D領域中快速且簡單地設置放電模型變得可能。

工作流程簡單明瞭，通常包括以下步驟：創建或導入幾何模型；定義物理設置、邊界條件和初始值；設置網格；選擇求解器；並可視化結果。網格和求解器設置是自動的，但也可以手動自定義。所有這些步驟均可在 COMSOL Multiphysics® 環境中無縫完成。

模組的功能集中在放電介面 (Electric Discharge Interface) 上，用於模擬多種介質中的放電，包括氣體、液體和固體介電材料。其特有的內建電荷傳輸模型 (charge transport models) 完整耦合泊松方程 (Poisson's equation)，並考慮撞擊電離 (impact ionization)、附著 (attachment)、重組 (recombination) 等化學和物理過程，並適應每個介質的特性。由於這些內建功能，大多數情況下，使用者不需要手動輸入化學反應或反應速率數據。

氣體中的放電 (Gas Discharges)
放電介面使用流體近似和局部場近似 (local field approximations) 模擬大氣壓和高壓氣體中的放電。除了解決電子、正離子和負離子的傳輸方程外，該模型還包含撞擊電離 (impact ionization)、附著 (attachment) 和重組 (recombination) 等過程，以精確模擬氣體中的放電行為。

內建的電荷傳輸模型和放電材料庫 (Electric Discharge Material Library) 使得模擬氣體中重要的放電化學變得簡單，例如空氣，無需手動輸入化學反應。可以輕鬆通過選擇不同的材料庫選項切換氣體介質，例如 SF6、N2 或 CO2。

液體中的放電 (Discharges in Liquids)
在模擬液體中的放電時，例如用於電絕緣的變壓器油，放電介面解決了電子、正離子和負離子的傳輸方程。其包含典型的過程，如場電離 (field ionization)、附著 (attachment) 和重組 (recombination)，以呈現液體介質中放電的行為。

固體中的雙極性電荷傳輸 (Bipolar Charge Transport in Solids)
對於固體介電材料，放電介面支持雙極性電荷傳輸 (bipolar charge transport)，解決電子、電洞和陷阱電荷的傳輸方程。模型與泊松方程完全耦合，考慮陷阱 (trapping)、解陷 (detrapping) 和重組效應，為固體材料中的電荷傳輸提供詳細的模擬。

表面電荷累積與鬆弛 (Surface Charge Accumulation and Relaxation)
模擬介電材料界面的電荷傳輸對於許多應用來說是必要的。例如，通過電暈放電 (corona discharge)，電荷會累積在這些界面上，在電場的作用下，空間電荷可能沿著表面漂移。放電介面具有內建的介電界面功能，自動處理表面電荷累積與鬆弛的過程。

光電離 (Photoionization)
光電離在正電放電中起著關鍵作用。放電介面包含基於輻射傳輸方法 (radiative transfer method) 的內建光電離模型，能高效計算光電離速率。最多可使用七個指數項來近似光電離過程。

電極邊界條件 (Electrode Boundary Condition)
電極邊界條件是電氣放電建模中的核心組成部分。可以在單個功能中指定電勢和電荷載體的邊界條件，以提高建模過程的效率。電極功能 (Electrode feature) 也包含內建的放電電流變數。電荷載體的邊界條件包含開放邊界的選項，以及定義通量 (flux)、數密度 (number density) 或表面發射 (surface emission) 的選項。此外，表面發射設置支持二次電子發射 (secondary electron emission)、場電子發射 (field electron emission) 和熱電子發射 (thermionic emission)。

連接到電路 (Connecting to Electrical Circuits)
內建的電路建模功能使得創建集總系統以模擬電路中的電流和電壓變得可能。其支持模擬電路元件，如電壓源 (voltage sources)、電流源 (current sources)、電阻 (resistors)、電容 (capacitors)、電感 (inductors) 和其他電路元件。電路模型還可以與2D和3D的分佈場模型連接。此外，電路拓撲可以使用 SPICE 網表格式 (SPICE netlist format) 進行導入和導出。這些電路可以與電氣放電物理模型相結合，以模擬實際負載。

可自定義的放電化學 (Customizable Discharge Chemistry)
放電模組包括定義自定義放電化學的功能，使設置具有複雜化學反應的模型變得簡單。一個專門的功能簡化了生成與空間相關的模型的過程，使使用者能高效管理放電模擬中的數百個化學反應。

模組還提供了超越內建電荷載體選項的自定義傳輸方程靈活性。這些自定義的傳輸方程在電荷載體傳輸介面 (Transport of Charge Carriers Interface) 中解決，並能與其他物理介面無縫耦合，使得在電磁場和流場中研究電荷傳輸成為可能。

獨特的數值穩定化技術 (Unique Numerical Stabilization Techniques)
在電氣放電物理中，物種的數密度在短距離內可能變化幾個數量級。傳統的方法可能導致不合理的負值。為了防止這種情況，放電介面使用對數形式 (logarithmic formulation)，確保數密度解保持嚴格為正。

此外，模組包含數值穩定化技術，以確保方程在計算中既準確又高效。

捕捉多尺度動態 (Capture Multiscale Dynamics)
電氣放電的動態從亞納秒至毫秒的時間尺度，空間上則從微米到米，這在解決納秒級事件的長時間尺度演變中帶來挑戰。

放電模組利用了先進的網格和求解功能。其自適應網格技術 (adaptive meshing technique) 允許網格大小變化，從一微米到一米，並優化自由度數量。此外，求解器的自動時間步進 (time-stepping) 能夠在多個數量級範圍內調整時間步長，精確捕捉短期現象，如特里歇爾脈衝 (Trichel pulses)，以及長期效應，如空間電荷累積和鬆弛。

材料庫 (Material Library)
電氣放電的建模通常涉及到指定複雜的化學反應和材料特性，這可能非常耗時。放電模組通過兩個內建的材料庫簡化了這一過程。

放電材料庫提供了常見氣體、液體和固體介電材料的數據，這些數據與電荷傳輸模型無縫整合，使使用者無需手動輸入方程或數據即可開始建模。平衡放電材料庫 (Equilibrium Discharge Material Library) 提供了溫度依賴性特性（最高可達25,000 K），包括密度 (density)、比熱 (heat capacity)、熱導率 (thermal conductivity)、動態粘度 (dynamic viscosity) 和體積發射率 (volumetric emission rates)。

多重物理介面用於電弧放電建模 (Multiphysics Interfaces for Modeling Arc Discharges)
放電模組可用於建模熱動力學平衡放電 (thermodynamic equilibrium discharges)，例如電弧 (electric arcs)，此時電子與重質粒子共享相同的溫度。內建的電弧放電多重物理介面 (Arc Discharge Multiphysics Interface) 使用磁流體動力學方法描述放電為一個單一流體，具有一個溫度。該介面耦合了電磁學 (electromagnetics)、流體流動 (fluid flow) 和熱傳輸 (heat transfer)，包括洛倫茲力 (Lorentz force)、電動勢 (electromotive force)、焓輸送 (enthalpy transport)、焦耳加熱 (Joule heating) 和輻射損失 (radiation loss)。

放電引起效應的高效分析 (Efficient Analysis of Discharge-Induced Effects)
放電模組與其他 COMSOL 附加產品無縫集成，使得模擬和分析經常伴隨電氣放電的各種物理效應變得輕而易舉。這種內建的兼容性允許進行高效且全面的多重物理建模，無需在不同工具或軟件環境間切換。

放電模組的一個強大應用是分析雷擊引起的電磁脈衝 (lightning-induced electromagnetic pulses, LEMPs)。利用內建的電磁波瞬態介面 (Electromagnetic Waves, Transient Interface)，工程師能輕鬆模擬這些脈衝並設計防雷電的電氣設備和系統。這一能力顯著減少了開發可靠產品所需的時間和成本。

另一個應用例子是電暈放電輔助散熱 (corona-discharge-assisted cooling)。電氣放電產生的電動流體力 (electrohydrodynamic forces) 驅動氣流並增強對流熱傳輸。通過在同一平台上模擬這種電磁學與流體動力學之間的複雜相互作用，使用者可以對該過程有更深入的理解，並輕鬆地優化散熱設計。