ماژول جریان مولکولی: شبیه سازی جریان های گاز نادر در سیستم های خلاء

فناوری خلاء کاربردهای مهم زیادی دارد، از دستگاه های نیمه هادی و ساخت MEMS گرفته تا پوشش های خلاء برای محافظت در برابر خوردگی، فیلم های نوری و فلزی شدن. ماژول جدید جریان مولکولی ابزارهایی را که قبلاً در دسترس نبودند برای مدل‌سازی جریان گاز در سیستم‌های خلاء در اختیار مهندسان خلاء قرار می‌دهد.

محدودیت جریان مولکولی رایگان

شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات مرسوم، اثر برخورد بین مولکول‌های گاز در یک جریان پیوسته را با استفاده از یک پارامتر ماده اسکالر: ویسکوزیته، مدل‌سازی می‌کنند. هنگامی که میانگین مسیر آزاد مولکول ها با اندازه سیستم قابل مقایسه شود، مفهوم ویسکوزیته برای توصیف گاز کمتر مناسب می شود. این به این دلیل است که برخورد با دیواره ها بیشتر از برخورد با مولکول های دیگر رخ می دهد. در نهایت، مولکول‌های گاز فقط با دیواره‌های سیستم برخورد می‌کنند که به آن حد جریان مولکولی آزاد می‌گویند.

نوع جریان	شماره نادسن
جریان پیوسته	Kn<0.01
جریان لغزش	0.01<Kn<0.1
جریان انتقالی	0.1<Kn<10
جریان مولکولی آزاد	Kn> 10

انتقال از جریان پیوسته به جریان مولکولی با یک پارامتر بدون بعد به نام عدد نادسن (Kn) توصیف می‌شود که نشان‌دهنده میانگین مسیر آزاد مولکول‌های گاز تقسیم بر مقیاس طول معمولی هندسه جریان است. ورودی وبلاگ قبلی ما را ببینید ” جریان مولکولی چیست؟” برای جزئیات بیشتر با افزایش عدد نادسن، تکنیک های مختلفی برای مدل سازی گاز مورد نیاز است. برای جریان های پیوسته و جریان های لغزشی، می توان از معادلات ناویر استوکس برای توصیف حرکت سیال، با شرایط مرزی ویژه ای که برای جریان لغزشی لازم است، استفاده کرد. جریان های انتقالی و جریان های مولکولی آزاد به ابزارهای اختصاصی نیاز دارند که اثرات جنبشی رخ داده در گاز را در نظر بگیرند. ماژول جریان مولکولی رابط‌هایی را ارائه می‌کند که برای مدل‌سازی چنین جریان‌هایی طراحی شده‌اند، که توسط نرم‌افزار CFD معمولی قابل حل نیستند. رابط جریان انتقالی را می توان برای مدل سازی جریان های انتقالی با استفاده از روش سرعت گسسته استفاده کرد. جریان مولکولیرابط جریان را با استفاده از روش ضریب زاویه‌ای که در بخش بعدی توضیح داده شده است، حل می‌کند و شامل طیف وسیعی از ویژگی‌های پیشرفته برای مدل‌سازی جریان‌های داخل سیستم‌های خلاء در فشارهای پایین است.

روش ضریب زاویه ای

شار مولکول ها، رابط جریان مولکولی
شار مولکول ها توسط رابط جریان مولکولی محاسبه می شود .

رابط جریان مولکولی شار مولکول هایی را که به نقطه x (در شکل بالا نشان داده شده است) روی سطح با استفاده از روش ضریب زاویه ای محاسبه می کند. برای هر نقطه x، با عنصر مساحت مرتبط dA’، کسری مشخص از شار منتشر شده به x می رسد. با ادغام روی تمام نقاط x’، این روش می تواند شار کل را که به x می رسد محاسبه کند. انتگرال های اضافی برای محاسبه پارامترهای دیگر، مانند چگالی عدد، فشار و شار گرما مورد نیاز است (که همه آنها را می توان توسط جریان مولکولی محاسبه کرد.رابط). شرایط مرزی برای روش شامل روابط بین شار خروجی (J) و شار ورودی (G) است. به عنوان مثال، برای یک دیوار بازتابنده ساده، J=G، در حالی که برای سطح یک پمپ، J<G. این روش مستلزم آن است که مولکول های ساطع شده از یک سطح دارای سرعت و توزیع زاویه ای مستقل از جهت و سرعت تابش باشند. این فرض، که به عنوان تطبیق کلی شناخته می شود ، اغلب برای سیستم های خلاء، که معمولا سطوح ناهموار دارند، خوب است. شکل زیر مسیرهای معمولی چندین مولکول گاز را در یک سیستم نشان می دهد:

مسیرهای مولکول گاز

ماژول جریان مولکولی

شبیه سازی های پیشرفته جریان گاز از طریق سیستم های خلاء با ماژول جریان مولکولی امکان پذیر است. با استفاده از این ماژول می‌توانید به راحتی سیستم‌های خلاء را با استفاده از طیف وسیعی از شرایط مرزی راه‌اندازی و بهینه کنید که اثراتی مانند خروج گاز، پمپاژ و ترشح مولکولی از یک مخزن مجاور را ثبت می‌کند. پمپ محفظه را می توان با استفاده از ویژگی هایی برای ردیابی جذب و دفع مولکول های گاز بر روی دیواره های سیستم به عنوان تابعی از زمان شبیه سازی کرد. اگر نیاز به ارزیابی چگالی عدد در امتداد یک خط پرتو از مرکز هندسه دارید، ماژول جریان مولکولی این قابلیت را دارد، اگرچه معادلات جریان فقط در سطح حل می شوند. از ویژگی های تبخیر و رسوب می توان برای مطالعه تبخیر حرارتی در سیستم خلاء استفاده کرد. جریان های غیر همدما به طور کامل پشتیبانی می شوند و شبیه سازی های چندفیزیکی همراه با معادلات انتقال حرارت امکان پذیر است. همچنین می توان جریان چندین گونه را از طریق یک سیستم شامل برهمکنش بین گونه هایی که بر روی دیواره های محفظه رخ می دهد، مدل کرد. شما حتی می توانید از مدل سازی مبتنی بر معادله برای توصیف اثرات پیچیده به شیوه ای کارآمد استفاده کنید – برای مثال،مثال پمپاژ دیفرانسیل توضیح می دهد که چگونه یک جریان انتقالی را از طریق یک لوله باریک به یک مدل جریان مولکولی، با استفاده از عبارات تحلیلی برای ثبت سرعت جریان از طریق لوله، جفت کنیم. یک مثال شبیه‌سازی، که مهاجرت آب وارد شده به سیستم را از طریق یک قفل بار ردیابی می‌کند، در تصویر زیر نشان داده شده است.

شبیه سازی مهاجرت مولکول های آب از طریق سیستم خلاء هنگامی که یک شیر دروازه ای که محفظه اصلی (راست) را از یک قفل بار (سمت چپ) جدا می کند، به سیستم وارد می شود.