انباشته های جدید عملکرد ذرات و ردیابی پرتو را تقویت می کنند

با انتشار نسخه 5.0 COMSOL Multiphysics، ماژول ردیابی ذرات اکنون شامل یک سری ویژگی به نام انباشته‌کننده‌ها می‌شود که می‌توان از آن‌ها برای جفت کردن نتایج شبیه‌سازی ردیابی ذرات با دیگر رابط‌های فیزیک استفاده کرد. متغیرهای انباشته شده ممکن است هر کمیت فیزیکی را نشان دهند و می توانند در محدوده ها یا در مرزها تعریف شوند و آنها را بسیار انعطاف پذیر می کند. در اینجا، من انواع مختلف انباشته‌ها و کاربردهای آن‌ها را در مدل‌های ردیابی ذرات و اپتیک پرتو توضیح خواهم داد.

آکومولاتورها چیست؟

در شبیه‌سازی‌های ردیابی ذرات و ردیابی پرتو، ما اغلب نیاز به استفاده از ویژگی‌های ذره یا پرتو برای تغییر متغیری داریم که روی مجموعه‌ای از دامنه‌ها یا مرزها تعریف شده است. به عنوان مثال، ذرات جامد در یک سیال ممکن است نیروی قابل توجهی بر سیال اطراف وارد کنند و همچنین ممکن است سطوحی را که به آنها برخورد می کنند، فرسایش دهند.

در پست‌های وبلاگ قبلی، دو مورد دیگر را با جزئیات بیشتر مورد بحث قرار داده‌ام: واگرایی یک پرتو الکترونی به دلیل تغییر شکل خود پتانسیل و حرارتی عدسی‌ها در یک سیستم لیزری پرقدرت . هر یک از این پدیده ها را می توان با استفاده از Accumulator یا ویژگی های تخصصی که از آنها مشتق شده است مدل سازی کرد.

Acumulator یک ویژگی فیزیک است که اطلاعات را از ذرات یا پرتوها به شبکه عناصر محدود زیرین مخابره می کند. برای هر ویژگی Accumulator در یک مدل، یک متغیر وابسته متناظر به نام متغیر انباشته اعلام می شود. این متغیرهای انباشته شده را می‌توان در مجموعه‌ای از حوزه‌ها یا در مجموعه‌ای از مرزها تعریف کرد، و می‌توانند هر کمیت فیزیکی را نشان دهند و آنها را بسیار انعطاف‌پذیر کند.

ویژگی های Accumulator را می توان به هر یک از رابط های فیزیکی ماژول ردیابی ذرات اضافه کرد . آنها همچنین می توانند در رابط هندسی اپتیک ، موجود با ماژول Ray Optics ، و رابط Ray Acoustics ، در دسترس با ماژول Acoustics استفاده شوند .

بسته به رابط فیزیک، نسخه های تخصصی تری از Accumulator ممکن است برای محاسبه انواع خاصی از کمیت های فیزیکی موجود باشد. به عنوان مثال، رابط ردیابی ذرات برای جریان سیال شامل یک شرط مرزی فرسایش اختصاصی است که شامل چندین مدل داخلی برای محاسبه میزان سایش فرسایشی روی یک سطح است.

Acumulator ها را می توان به سه دسته کلی تقسیم کرد که به روش های زیر عمل می کنند:

1. انباشته های روی مرزها، هرگاه ذره ای به عنصر مرزی برخورد کند، متغیری را که روی یک عنصر مرزی تعریف شده است، افزایش می دهند.
2. انباشته‌کننده‌ها در دامنه‌ها اطلاعات هر ذره را به عناصر شبکه‌ای که ذره از آن عبور می‌کند، نشان می‌دهد.
3. انباشته کننده های غیرمحلی اطلاعات را از موقعیت فعلی ذره به مکانی که در ابتدا منتشر شده است، مخابره می کنند.

اکنون هر یک از این گونه ها را با جزئیات بیشتری بررسی خواهیم کرد.

انباشته ها در مرزها

هنگامی که ذرات یا پرتوها به یک سطح برخورد می کنند، می توانند آن سطح را به طرق مختلف تحت تأثیر قرار دهند. برای مثال، لیزر می‌تواند باعث گرم شدن مرز شود، ذرات رسوب می‌توانند محیط اطراف خود را فرسایش دهند و زمانی که یون‌های با سرعت بالا به ویفر در محفظه فرآیند برخورد می‌کنند، پراکندگی می‌تواند رخ دهد. همه این اثرات به همان روش اولیه مدلسازی نیاز دارند. ما متغیری را روی مرز تعریف می کنیم و زمانی که ذرات یا پرتوها با مرز تعامل دارند، مقدار آن را تغییر می دهیم.

برای شروع، بیایید یک مورد ساده را در نظر بگیریم که در آن می‌خواهیم تعداد دفعاتی که یک مرز ضربه می‌خورد را بشماریم. ابتدا متغیری به نام rpdمثلاً تعریف می کنیم که می تواند مقدار مشخصی در هر عنصر مش مرزی داشته باشد. در ابتدا، این متغیر در تمام عناصر صفر تنظیم می شود. هر بار که ذره ای به عنصر مش در این مرز برخورد می کند، می خواهیم متغیر روی آن عنصر را 1 افزایش دهیم.

مقادیر متغیر انباشته شده روی عناصر مرزی (که به صورت مثلث نشان داده شده اند) پس از یک برخورد در زیر نشان داده شده است:

برای پیاده سازی این مورد در COMSOL Multiphysics، ابتدا مدل ردیابی ذرات را تنظیم می کنیم، سپس یک گره “دیوار” را به مرزی که می خواهیم برخوردها را برای آن شمارش کنیم، اضافه می کنیم. در این حالت، با انتخاب شرط Bounce wall مشخص می کنیم که ذرات در این سطح منعکس می شوند. سپس گره Accumulator را به عنوان یک زیرگره به این Wall اضافه می کنیم.

تنظیمات نشان داده شده در اسکرین شات زیر باعث می شود که rpbهر بار که ذره ای به دیوار برخورد می کند، متغیر انباشته شده (نامیده می شود) با 1 (عبارت در قسمت ویرایش منبع) افزایش می یابد.

من یک انیمیشن ساخته‌ام که نشان می‌دهد چگونه تعداد برخوردها با هر عنصر مرزی در طول مطالعه شمارش می‌شود. آن را بررسی کنید:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

با تغییر عبارت در قسمت ویرایش منبع، می توان متغیر انباشته شده را با استفاده از هر ترکیبی از متغیرهایی که روی ذره و روی مرز وجود دارد، افزایش داد. برای مثال، متغیر انباشته شده ممکن است با مقدار متفاوتی بر اساس سرعت یا جرم ذرات ورودی افزایش یابد. لازم نیست متغیر وابسته بدون بعد باشد. در واقع، می تواند هر کمیت فیزیکی را نشان دهد.

علاوه بر زیرگره Acumulator عمومی – که می تواند هر چیزی را نشان دهد – ویژگی های اختصاصی مبتنی بر انباشته در رابط های فیزیکی مختلف موجود است، از جمله موارد زیر:

• در رابط فیزیک ردیابی ذرات شارژ شده :
  • اچ (از این برای مدل‌سازی کندوپاش فیزیکی سطح توسط یون‌های پرانرژی استفاده کنید.)
  • چگالی جریان
  • منبع گرما
  • چگالی شارژ سطحی
• در رابط فیزیک ردیابی ذرات برای جریان سیال :
  • فرسایش (برای محاسبه جرم کل حذف شده از سطح یا میزان سایش فرسایشی.)
  • رسوب انبوه
  • بار مرزی
  • شار جرمی
• در رابط فیزیک اپتیک هندسی :
  • توان پرتو سپرده شده (برای محاسبه یک منبع حرارتی مرزی با استفاده از توان پرتوهای فرودی.)

انباشته کننده ها در دامنه ها

همچنین ممکن است بخواهیم اطلاعات را از ذرات به تمام عناصر شبکه ای که از آنها عبور می کنند، نه فقط به عناصر مرزی که لمس می کنند، منتقل کنیم. ما می توانیم این کار را با افزودن مستقیم یک گره Accumulator به رابط فیزیک انجام دهیم، به جای اینکه آن را به عنوان یک گره فرعی به دیوار یا شرایط مرزی دیگر اضافه کنیم.

برای مثال، می‌توانیم از Acumulator برای بازسازی چگالی تعداد ذرات در یک دامنه استفاده کنیم. این تکنیک در یک مدل معیار از جریان مولکولی آزاد از طریق یک خم s استفاده می شود که در آن رابط جریان مولکولی آزاد برای محاسبه چگالی تعداد مولکول ها در یک گاز کمیاب استفاده می شود.

در اینجا هندسه s-bend است:

پنجره تنظیمات برای Accumulator در زیر نشان داده شده است.

عبارت در قسمت ویرایش منبع کمی پیچیده تر از مورد قبلی است. اصطلاح منبعبه عنوان … تعریف شده است

(1)

جایی که(واحد SI:) شار مولکولی در ورودی است،(واحد SI:) طول ورودی است و(بدون بعد) تعداد ذرات مدل است.

از نظر فیزیکی می توانیم تفسیر کنیمبه عنوان تعداد مولکول های واقعی در واحد زمان، در واحد طول در جهت خارج از صفحه، که توسط هر ذره مدل نشان داده می شود. از آنجایی که این عبارت منبع بر روی مشتق زمانی متغیر انباشته شده عمل می کند، هر ذره یک “ردی” در عناصر شبکه ای که از آنها می گذرد به جای می گذارد، که به چگالی عدد در آن عناصر کمک می کند.

من یک انیمیشن دوم ساخته‌ام که در آن چگالی تعداد مولکول‌ها با استفاده از Acumulator (پایین) محاسبه می‌شود و نتیجه با نتیجه رابط جریان مولکولی آزاد (بالا) مقایسه می‌شود. ایناهاش:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ما مقداری نویز در محلول ردیابی ذرات می‌بینیم زیرا هر ذره فقط می‌تواند سهم یکنواختی در عنصر مش که در حال حاضر در آن قرار دارد داشته باشد. یک راه حل دقیق بدست آورید

علاوه بر گره Acumulator عمومی، که می‌تواند هر چیزی را نشان دهد، ویژگی‌های مبتنی بر انباشته‌گر اختصاصی در رابط‌های مختلف فیزیک موجود است، از جمله موارد زیر:

• در رابط فیزیک ردیابی ذرات شارژ شده :
  • برهمکنش ذرات-میدان چگالی بار ذرات را محاسبه می‌کند، که سپس می‌تواند به عنوان یک اصطلاح منبع برای محاسبه پتانسیل خود پرتوی از یون‌ها یا الکترون‌ها استفاده شود. همچنین می توان چگالی جریان را محاسبه کرد که اگر پرتو نسبیتی باشد می تواند میدان مغناطیسی قابل توجهی ایجاد کند.
• در رابط فیزیک ردیابی ذرات برای جریان سیال :
  • فعل و انفعال سیال-ذره بار بدن اعمال شده توسط ذرات بر سیال اطراف را محاسبه می کند.
• در رابط فیزیک اپتیک هندسی :
  • توان پرتوی ته نشین شده یک اصطلاح منبع گرمایی را بر اساس میزان توان جذب شده توسط محیط ایجاد می کند اگر پرتوها از طریق یک محیط جاذب منتشر شوند.

انباشته کننده های غیر محلی

نوع سوم Accumulator کمی پیشرفته تر از دو نوع قبلی است. یک انباشته کننده غیر محلی برای انتقال اطلاعات از موقعیت فعلی ذره به موقعیت اولیه ای که از آن آزاد شده است استفاده می شود. Nonlocal Accumulator را می توان به یک گره “Inlet” اضافه کرد و باعث می شود که متغیر انباشته شده را روی عناصر مش در مرز ورودی اعلام کند.

انباشته کننده غیر محلی را می توان در برخی از مدل های پیشرفته تشعشعات سطح به سطح استفاده کرد. در بسیاری از موارد، رابط فیزیک تابش سطح به سطح (موجود با ماژول انتقال حرارت ) می‌تواند برای مدل‌سازی مؤثر و دقیق انتقال حرارت تابشی استفاده شود. با این حال، رابط تابش سطح به سطح بر این فرض تکیه دارد که همه سطوح تابش را به طور پراکنده منعکس می کنند. یعنی جهت تابش منعکس شده کاملا مستقل از جهت تابش فرودی است. به عنوان مثال، اگر مقداری از تابش در سطوح صاف، صیقلی و فلزی تحت انعکاس چشمگیر قرار گیرد، نمی توان از آن استفاده کرد.

یکی از روش‌های مدل‌سازی انتقال حرارت تشعشعی با ترکیبی از تابش پرتوی و پراکنده، استفاده از رابط ردیابی ذرات ریاضی است ، همانطور که در مثال بازتاب مختلط منتشر و دیسک بین دو صفحه موازی نشان داده شده است .

شار گرمای فرودی روی هر صفحه با رهاسازی ذرات از سطح صفحه، پرس و جوی دمای هر سطحی که ذرات به آن برخورد کرده اند، محاسبه می شود و این اطلاعات به نقطه ای که ذرات در ابتدا آزاد می شوند، ارسال می شود. تصویر زیر توزیع دما بین دو صفحه را نشان می دهد، جایی که صفحه بالایی توسط یک منبع گاوسی خارجی گرم می شود.

نتیجه گیری و مراحل بعدی

دیده‌ایم که انباشته‌کننده‌ها را می‌توان برای مدل‌سازی برهمکنش‌های بین ذرات یا پرتوها و هر میدانی که در حوزه‌های اطراف مرزها تعریف شده است، استفاده کرد. متغیرهای انباشته شده می توانند هر کمیت فیزیکی را نشان دهند. Acumulator بلوک اصلی ساختمانی است که امکان اتصال یک طرفه یا دو طرفه پیچیده بین یک رابط فیزیک مبتنی بر ذرات یا پرتو و هر یک از محصولات دیگر در مجموعه محصولات COMSOL را فراهم می کند .

Acumulators و ویژگی‌های فیزیک مرتبط دارای تنظیمات و برنامه‌های بسیار زیادی هستند که نمی‌توان در یک پست وبلاگ به تفصیل درباره آن صحبت کرد. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد بسیاری از گزینه های موجود، لطفاً به راهنمای کاربر برای ماژول ردیابی ذرات (برای رابط های فیزیک ردیابی ذرات)، ماژول اپتیک پرتو (برای رابط اپتیک هندسی)، یا ماژول آکوستیک (برای رابط Ray Acoustics ) مراجعه کنید . ).

اگر علاقه مند به کسب اطلاعات بیشتر در مورد هر یک از این محصولات هستید، لطفا با ما تماس بگیرید .