COMSOL Particle Tracing Module 6.3
DESCRIPCIÓN
El módulo Particle Tracing Module amplía la funcionalidad del entorno de COMSOL Multiphysics para calcular la trayectoria de partículas sometidas a un campo de fluido o electromagnético, incluyendo interacciones campo-partícula. Cualquier módulo adicional se combina fácilmente con Particle Tracing Module y proporciona acceso a herramientas y campos de modelado adicionales para manejar movimiento de partículas.
La pérdida o ganancia de masa, carga o parámetros similares puede ser representada como variables auxiliares y ecuaciones para cada partícula a lo largo de su trayectoria. Las partículas pueden ser sin o con masa, donde el movimiento es gobernado por formulaciones Newtoniana, Lagrangiana o Hamiltoniana de la mecánica clásica. Para simulaciones muy particulares es posible acceder al bajo nivel del formalismo matemático.
SECTORES
Entre las aplicaciones se incluyen: visualización de flujo de fluidos, mezcladores, aspersión, separación y filtrado de partículas, espectrometría de masa, óptica iónica, física de haces, funciones de distribución de energía iónica, streaming acústico, trazado de rayos, dinámica de aerosoles, óptica geométrica, matemáticas y mecánica clásica.
VERSIONES
6.3
NOVEDADES
Esta versión del módulo ofrece mejoras para simular el movimiento de partículas en marcos rotatorios, incluida la compatibilidad con soluciones de dominio rotatorio y opciones ampliadas para definir colisiones de partículas personalizadas.
Mejoras en la función de marco giratorio
Se han introducido nuevas variables para almacenar la posición y la velocidad de las partículas en el marco de referencia inercial (o de laboratorio) cuando se utiliza la función Rotating Frame. Estas variables permiten especificar coordenadas que dependen del marco inercial, lo que simplifica la definición de interacciones entre partículas y campos. Además, se ha mejorado la visualización de las trayectorias de las partículas en el marco de referencia inercial. Anteriormente, la función Rotating Frame solo proporcionaba variables para la posición y la velocidad de las partículas en relación con el marco giratorio.
Captura de pantalla de la función Rotating Frame que se utiliza para representar la rotación del dominio. Se visualizan trayectorias de partículas idénticas en el marco giratorio no inercial (izquierda) y en el marco inercial (derecha) donde la partícula se mueve por gravedad.
Además, se ha ampliado significativamente la compatibilidad de la función Rotating Frame con otras funciones físicas. También se ha mejorado la precisión de los cálculos de fuerza externa junto con las fuerzas ficticias asociadas con la función Rotating Frame. Estas mejoras se pueden ver en el nuevo modelo de tutorial Tubular Centrifuge.
Compatibilidad de soluciones de rotor congelado con trazado de partículas en dominios rotatorios
Hay disponible una nueva casilla de verificación Map velocity from stationary mesh to moving mesh que permite utilizar los campos de velocidad definidos en una malla estacionaria directamente en un paso de estudio Time Dependent que involucra una interfaz de trazado de partículas y una función Rotating Domain. Esta opción está disponible en las funciones Drag Force, Lift Force, Kelvin-Helmholtz Breakup Model, Collisions y Friction Force.
Esto es útil, por ejemplo, cuando se utiliza el paso de estudio Frozen Rotor para calcular la velocidad del fluido en un dominio giratorio con una geometría simple. En tales casos, cuando el campo de velocidad definido en la malla estacionaria (solución Frozen Rotor) es una buena aproximación de la velocidad en el marco espacial, al seleccionar esta casilla de verificación se evita tener que calcular los campos en una malla en movimiento. Véase esta incorporación en el nuevo modelo tutorial Tubular Centrifuge.
Separación de partículas en un dispositivo de centrifugación tubular en función de sus densidades. El paso de estudio de Frozen Rotor se utiliza para la simulación del flujo de fluido, que luego se utiliza en los estudios dependientes del tiempo de la simulación de trazado de partículas.
Colisiones definidas por el usuario mejoradas
En la interfaz de Charged Particle Tracing, la subfunción User Defined de la función Collisions ahora admite una gama mucho más amplia de colisiones. Ahora es posible elegir si se incluye la partícula primaria en los productos posteriores a la colisión. En versiones anteriores, solo se permitía incluir un tipo de especie de partícula secundaria, pero en la versión 6.3, ahora es posible incluir varias especies secundarias distintas. Esto se logra agregando un nuevo nodo Species Properties como una subfunción al nodo User Defined. Además, las configuraciones para controlar la liberación de partículas secundarias ahora se incluyen en el nodo Species Properties. Se pueden añadir varias instancias del nodo Species Properties para dar cuenta de las distintas especies secundarias.
Trayectorias de iones positivos en un embudo iónico electrodinámico. El contorno del fondo muestra el potencial combinado de corriente continua y alterna en el embudo.
Control de la aleatoriedad en las funciones de liberación de partículas
Ahora es posible controlar los generadores de números aleatorios que utiliza cualquier función de liberación de partículas. Las opciones de Arguments for random number generation ahora están disponibles en la configuración de la interfaz de rastreo de partículas que controla la semilla para el generador de números aleatorios. La semilla para el generador de números aleatorios se establece internamente y se fija cuando se elige la opción Generate unique arguments, es lo que garantiza que las condiciones iniciales de las partículas sean idénticas cada vez que se resuelve el modelo.
Cuando se selecciona la opción Generate random arguments, la semilla se determina aleatoriamente en tiempo de ejecución, lo que permite que las condiciones iniciales sean verdaderamente aleatorias y es ideal para simulaciones de tipo Monte Carlo. La opción User Defined permite el control directo de la semilla. Cuando se selecciona esta opción, aparece un nuevo campo de texto Additional input arguments for random number generator en la ventana Settings de las funciones de la versión. El valor especificado se utilizará para generar la semilla del generador de números aleatorios asociado con esta función de la versión.
Los generadores de números aleatorios se pueden utilizar para controlar las posiciones iniciales, las velocidades, los tiempos de liberación y los valores iniciales de las variables dependientes auxiliares en todas las interfaces de rastreo de partículas. Además, en la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow, las distribuciones de masa o diámetros de partículas también se pueden ver afectadas por los generadores de números aleatorios.
Las partículas se liberan de manera aleatoria en el espacio en un gráfico 2D en el que la posición y el tamaño se aleatorizan mediante una semilla definida por el usuario. Los tamaños de las partículas en los gráficos se escalan según sus diámetros, que se toman de una distribución normal.
Inicialización de la velocidad de una partícula utilizando el momento o la energía cinética
En la versión 6.3, ahora está disponible la capacidad de inicializar la velocidad de la partícula especificando el momento de la partícula. Pueden especificarse los componentes del vector o la magnitud del momento y muestrear la dirección del vector utilizando las distribuciones Constant speed, spherical; Constant speed, hemispherical; Constant speed, cone; o Constant speed, Lambertian. Todas estas distribuciones de muestreo ahora también están disponibles cuando la velocidad se inicializa utilizando energía cinética.
Nuevas opciones para seleccionar grupos de partículas
Para las funciones Accumulator, Number Density Calculation, Particle Counter, y Velocity Reinitialization, ahora es posible realizar cálculos solo para un grupo de partículas. Las partículas se pueden agrupar por características de liberación o propiedades de partículas. Por ejemplo, la función Number Density Calculation se puede utilizar para calcular la densidad numérica de todas las partículas, partículas liberadas por una característica de liberación particular o partículas con un conjunto específico de propiedades.
De manera similar, la función Particle Counter se puede utilizar para contar únicamente partículas con un conjunto específico de propiedades que se encuentran en un conjunto de dominios seleccionados o en un conjunto de límites seleccionados. Vea estas nuevas opciones en el modelo tutorial Tubular Centrifuge.
Gráfico superior: separación de glóbulos rojos y plaquetas mediante la aplicación de fuerza dielectroforética, donde los glóbulos rojos se muestran en rojo y las plaquetas en azul. Gráfico inferior: cálculo de la densidad numérica únicamente de los glóbulos rojos.
6.2
NOVEDADES
Nueva opción para el cálculo de la fuerza de fricción en el límite de campo eléctrico débil
Para los usuarios del módulo Particle Tracing Module, con COMSOL Multiphysics® versión 6.2 ahora es posible calcular con precisión la fuerza de fricción para partículas cargadas en el límite del campo eléctrico débil. El límite del campo eléctrico débil se alcanza cuando la relación entre la magnitud del campo eléctrico y la densidad numérica del gas de fondo es pequeña. En este escenario, la energía cinética de las partículas cargadas es mayoritariamente térmica; es decir, la energía térmica de las partículas cargadas es mucho mayor que la energía adquirida del campo eléctrico entre las colisiones de las partículas y las moléculas de gas de fondo. La función Friction Forece en la interfaz Charged Particle Tracing tiene una nueva opción para calcular la fuerza de fricción en el límite del campo eléctrico débil utilizando la ecuación de Mason-Schamp.
Trayectorias de iones positivos en un embudo de iones electrodinámico. El contorno del fondo muestra el potencial combinado de CC y CA en el embudo.
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 proporciona mejoras para la generación de números pseudoaleatorios y el muestreo de la distribución de velocidad térmica, así como dos nuevos modelos tutoriales.
Generación mejorada de números pseudoaleatorios
El módulo Particle Tracing Module incluye una variedad de características y funcionalidades que se basan en la generación de números pseudoaleatorios (PRNG), como:
- Modelado Monte Carlo de colisiones entre partículas del modelo y moléculas de un gas de fondo
- Movimiento browniano de pequeñas partículas en un fluido
- Movimiento de partículas en un fluido turbulento
- Condiciones de contorno que hacen que las partículas se reflejen de forma difusa o isotrópica
- Emisión de partículas secundarias con una probabilidad especificada
- Interacciones condicionales partícula-pared
Los métodos de generación de números pseudoaleatorios utilizados en estos ejemplos han sido mejorados y es menos probable que incurran en correlaciones entre números aleatorios que idealmente no deberían estar correlacionados. Esto incluye la prevención de correlaciones no deseadas entre fuerzas aleatorias que actúan sobre diferentes partículas, diferentes componentes de ciertas fuerzas aleatorias y diferentes características físicas o diferentes instancias de la misma característica. Pueden verse algunas de estas mejoras, entre otros, en el nuevo modelo de "Multipactor Saturation".
El modelo flujo molecular a través de un acoplador de RF utiliza la generación de números pseudoaleatorios para muestrear la velocidad de las partículas cuando las partículas golpean las paredes de la geometría.
Muestreo mejorado desde distribuciones de velocidad térmica
Al liberar o reflejar partículas en una superficie, el módulo Particle Tracing incluye varias funciones que muestrean la velocidad de las partículas a partir de una distribución basada en la temperatura. Esto incluye la función de liberación de partículas Thermionic Emission en la interfaz Charged Particle Tracing, el tipo de distribución de velocidad Thermal para el nodo Inlet y la condición de contorno Thermal Re-Emission. La forma en que estas características pueden muestrear los valores de la velocidad de las partículas de las distribuciones térmicas ahora es más precisa. Esta mejora es evidente cuando se calculan las estadísticas de partículas en los extremos inferior y superior de la distribución cuando el tamaño de la muestra es grande.
Además, está disponible un nuevo tipo de distribución de velocidad Thermal para el atributo Secondary Emission de las funciones Wall y Axial Symmetry. Esto se puede usar para que las partículas secundarias se puedan muestrear a partir de la distribución de velocidad térmica cuando las partículas activas golpean una pared. Pueden verse estas actualizaciones en el nuevo modelo "Multipactor Saturation".
El modelo Turbomolecular Pump utiliza una distribución de velocidad térmica en las entradas y paredes para predecir la probabilidad de que las moléculas se transmitan a través de las palas del rotor de la bomba.
Nuevos modelos tutoriales
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Multipactor Saturation |
Cascade Impactor |
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae dos nuevos modelos tutoriales y muchas mejoras de usabilidad, como la opción de transformar las coordenadas de partículas cargadas desde un archivo, así como algoritmos más rápidos para calcular la fuerza de elevación y arrastre de flujos de canales limitados en la pared.
Nuevos modelos tutoriales
Three-Body Problem
El problema de los tres cuerpos consiste en calcular las posiciones y velocidades de tres objetos bajo atracción gravitacional mutua, con posiciones y velocidades iniciales dadas. Si bien no tiene una solución analítica general y puede mostrar un comportamiento caótico, se sabe que ciertas condiciones iniciales repiten la misma configuración periódicamente. En el ejemplo se muestra con una animación la solución en forma de ocho al problema de los tres cuerpos, que se considera estable porque el movimiento de las partículas sigue siendo periódico si las condiciones iniciales se alteran ligeramente. En este modelo, la fuerza gravitacional se añade como una fuerza de interacción partícula-partícula. El modelo se puede descargar de la Galería de aplicaciones.
Pinched Flow Fractionation
Este modelo tutorial utiliza el método de fraccionamiento de flujo comprimido para simular la separación de partículas en función de su tamaño. Primero, la interfaz de flujo laminar se usa para calcular el campo de velocidad en un microcanal. A continuación, se utiliza la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow para calcular las trayectorias de las partículas inyectadas. Los histogramas se utilizan para rastrear la separación de las partículas en función de su tamaño y cuantificar el rango de tamaños de las partículas en cada salida. El modelo puede descargarse desde la entrada asociada de la Galería de aplicaciones.
Trayectorias de células sometidas a fraccionamiento de flujo comprimido. La expresión de color de las partículas muestra su diámetro, lo que indica que el dispositivo de microfluidos está clasificando las partículas por tamaño. El fondo en escala de grises muestra la norma de velocidad del fluido en una escala logarítmica.
Nombres simplificados para acoplamientos no locales
Todas las interfaces de rastreo de partículas definen acoplamientos para calcular la suma, el promedio, el máximo o el mínimo de una expresión sobre las partículas en un modelo. En COMSOL® versión 6.0, los nombres de estos acoplamientos se han simplificado para facilitar su uso. Puede verse esta actualización en el nuevo modelo del Three-body problem y en estos modelos y aplicaciones existentes:
- Charge Exchange Cell Simulator
- Ion Drift Velocity Benchmark
- Quasi-2D Turbomolecular Pump
Transformaciones al cargar posiciones de partículas desde un archivo
Cuando se utiliza el nodo Liberar desde archivo de datos para cargar las posiciones iniciales de las partículas desde un archivo, ahora pueden aplicarse Transformaciones a las coordenadas iniciales. Puede utilizarse cualquier combinación de dilatación (escalado), rotación y traslación. Opcionalmente, si la velocidad inicial de la partícula también se carga desde un archivo, puede aplicarse la misma rotación tanto a la posición como a la velocidad.
Cuatro instancias de la función Liberar desde archivo de datos con diferentes escalas, ángulos de rotación y posiciones.
Búsqueda rápida de contornos para elevación y arrastre inducidos por paredes
En la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow, la fuerza de sustentación, la fuerza de arrastre y la dispersión turbulenta anisotrópica para flujos limitados por paredes ahora son más rápidos de evaluar con nuevas opciones para configurar la búsqueda del elemento de contorno más cercano a cada partícula. Ahora puede elegirse entre el Punto más cercano (el comportamiento predeterminado y el único comportamiento en la versión 5.6) o las opciones más rápidas, Usar tolerancia y Caminar en el componente conectado donde puede especificarse el radio de búsqueda máximo. Esta es una opción útil para el rastreo de partículas en tuberías y canales con relaciones de aspecto muy altas. Puede verse esta nueva función en el modelo tutorial Dispersion of Heavy Particles in a Turbulent Channel Flow.
Con el nuevo algoritmo de búsqueda basado en la tolerancia, el modelo de referencia Flow Channel Turbulent Dispersion ahora es aproximadamente un 25% más rápido. Tengase en cuenta que la geometría no está dibujada a escala.
Dosis acumulada del bombardeo de iones energéticos
Al modelar el paso de iones energéticos a través de materia sólida, ahora se puede acumular la dosis absorbida y la dosis equivalente en el dominio a medida que pasan los iones en el nodo Particle-Matter Interactions. Puede optarse por calcular la dosis acumulada seleccionando cualquier combinación de las casillas de verificación Dosis absorbida, Dosis absorbida por pérdidas por ionización o Dosis absorbida por parada nuclear.
Gráfico con corte de la dosis equivalente de la penetración de partículas alfa en un dominio sólido.
Transferencia de calor entre partículas y fluido circundante
Ahora puede calcularse la transferencia de calor entre las partículas y el fluido circundante utilizando la nueva funcionalidad de Calor de partículas disipadas. Las partículas se pueden utilizar como fuente/sumidero de calor para el fluido circundante. Para usar esta función, se debe marcar la casilla Calcular la temperatura de las partículas en la interfaz Rastreo de partículas para el flujo de fluidos y usar la función Pérdidas de calor por convección para calcular la tasa de flujo de calor de las partículas.
5.6
NOVEDADES
Evaporación de gotitas
Ahora se puede utilizar un nodo dedicado Droplet evaporation para tratar las partículas del modelo como gotas de líquido que se evaporan en el gas circundante. La tasa de evaporación se calcula basándose en la presión de vapor de saturación en la superficie de la gota y el coeficiente de difusión del vapor de la gota en el gas circundante. El nodo Droplet evaporation admite un modelo de difusión de Maxwell simplificado, un modelo de Stefan-Fuchs más detallado y una opción para especificar la constante de evaporación directamente.
Por lo general, las gotas que se evaporan se acercan a una temperatura de estado estable (denominada temperatura de bulbo húmedo), basada en la temperatura del gas circundante. Si se conoce la temperatura de estado estable, puede especificarse directamente. Alternativamente, si se está utilizando el modelo de evaporación de Stefan-Fuchs y resolviendo la temperatura de las partículas, puede modelarse el período de calentamiento de las gotas, así como la evaporación en estado estable. Esto puede ser útil cuando el aire circundante está mucho más caliente que las gotas que se liberan en él, ya que el tiempo de calentamiento podría representar una fracción significativa de la vida útil total de las gotas.
Evaporación de gotitas de agua a medida que son tranportadas por el aire circundante. El tamaño de las partículas y la expresión del calor son proporcionales a la masa de las partículas.
Propiedades de las partículas del material
En la interfaz Rastreo de partículas para flujo de fluido, las propiedades del material de las partículas ahora se pueden tomar de un nodo Material en lugar de especificarse directamente. Este cambio permite que las bibliotecas de materiales se utilicen de manera más eficaz en los modelos de rastreo de partículas. También elimina algo de redundancia cuando varias fuerzas diferentes usan la misma propiedad del material: solo se tiene que especificar esta propiedad una sola vez.
De forma predeterminada, todos los modelos de Rastreo de partículas para flujo de fluidos requieren que se especifique la densidad de partículas. Dependiendo de las fuerzas adicionales y otras características que se añadan al modelo, es posible que también se requieran otras propiedades del material. Por ejemplo, la condición de dominio de Fuerza dielectroforética requiere la permitividad relativa y la conductividad eléctrica de la partícula. Estos se tomarán automáticamente del mismo material utilizado para definir la densidad de partículas. También se tiene la opción de hacer que el usuario defina cualquier propiedad del material, en lugar de obtenerla de las Bibliotecas de materiales. Cuando se utiliza el nuevo nodo Droplet evaporation para tratar partículas del modelo como gotitas de evaporación, también se pueden tomar las propiedades de la fase de vapor a partir de otro nodo Material.
Uso típico donde la densidad de partículas se toma del vidrio de cuarzo incorporado de las Bibliotecas de materiales.
Nueva formulación para rastrear partículas pequeñas en fluidos
Se dispone de una nueva formulación de rastreo de partículas para la interfaz Rastreo de partículas para flujo de fluido. Llamada la formulación Newtonian, ignore inertial terms, resuelve ecuaciones de primer orden para la posición de la partícula, asumiendo que la fuerza de arrastre contrarresta todas las demás fuerzas sobre las partículas. En esencia, esto ignora la aceleración de las partículas cuando las partículas se insertan por primera vez en el fluido.
Normalmente, el tamaño del paso de tiempo que necesita para resolver la aceleración de partículas en un fluido se escala con el cuadrado del diámetro de las partículas. Como resultado, un tratamiento inercial completo de partículas muy pequeñas (alrededor de decenas de micras o más pequeñas, dependiendo del fluido) requiere pasos de tiempo extremadamente pequeños, y ejecutar el estudio puede volverse bastante lento. La nueva formulación Newtonian, ignore inertial terms permite tomar pasos de tiempo mucho mayores sin incurrir en ninguna inestabilidad numérica adicional. Puede verse esta nueva función en los modelos "Dielectrophoretic Separation of Platelets from Red Blood Cells" y "Particle Trajectories in a Laminar Statix Mixer".
La configuración de la interfaz física y la ecuación se muestran cuando se selecciona la formulación Newtonian, ignore inertial terms.
Cálculo de densidad numérica
La nueva función de cálculo de densidad numérica se puede utilizar para calcular la densidad numérica de partículas dentro del dominio de simulación. La densidad se promedia sobre cada elemento de malla de dominio.
Moléculas de gas en un acoplador de RF. La densidad numérica se muestra como un diagrama de corte a través del medio de la geometría, en una escala logarítmica. La densidad numérica más alta se encuentra en el extremo izquierdo (rojo) donde las moléculas entran en la geometría.
Calefacción y refrigeración por convección mejoradas
Al resolver la temperatura de las partículas, ahora hay dos formas diferentes de aplicar calentamiento o enfriamiento por convección a las partículas. Primero, puede especificarse el coeficiente de transferencia de calor h directamente. Alternativamente, especificando el número de Nusselt de la partícula, Nu, y la conductividad térmica del fluido k; entonces el coeficiente de transferencia de calor se calculará automáticamente.
Muestreo aleatorio de masa, temperatura y otras variables
Al inicializar variables dependientes auxiliares en las partículas, pueden muestrearse sus valores iniciales de forma determinista o, ahor, nuevo en COMSOL Multiphysics® versión 5.6, aleatoriamente. Al utilizar la opción aleatoria, puede muestrear distribuciones incluidas, normales, logarítmicas o uniformes. Para la interfaz Rastreo de partículas para flujo de fluido, también puede muestrearse la masa o el diámetro de partícula inicial desde estas distribuciones. Al muestrear el diámetro, hay una opción incorporada para ingresar el diámetro medio de Sauter, una forma común de describir la distribución del tamaño de las partículas de un aerosol. El diámetro medio de Sauter, junto con otras variables nuevas para describir la distribución del tamaño de partículas, también están disponibles en postprocesado.
Las partículas se liberan con una distribución de diámetro logarítmico normal. Estas distribuciones son mucho más fáciles de configurar en COMSOL Multiphysics® versión 5.6 que en versiones anteriores del software.
Muestreo más sencillo a partir de distribuciones uniformes
Cuando se inicializan variables dependientes auxiliares en partículas, si los valores iniciales se muestrean a partir de una distribución uniforme, ahora se especifica el valor máximo y mínimo en la distribución. Previamente, era necesario especificar una media y una desviación estándar. Esto también se aplica a los valores iniciales de masa y diámetro de partículas en la interfaz Rastreo de partículas para flujo de fluido.
Muestreo aleatorio de longitud de onda en el vacío, frecuencia y otras variables
Cuando se inicializan variables dependientes auxiliares en partículas, puede muestrear sus valores iniciales de forma determinista o, nuevo con la versión 5.6, de forma aleatoria. Al utilizar la opción aleatoria, puede muestrear distribuciones integradas normales, logarítmicas o uniformes. También puede muestrear de forma determinista o aleatoria a partir de una distribución de frecuencia o longitud de onda si los rayos son policromáticos.
Mejoras en el acoplamiento multifísico de emisiones limitadas de carga espacial
El nodo de acoplamiento multifísico Emisión limitada de carga espacial, que se utiliza con la interfaz Trazado de partículas con carga, tiene importantes mejoras de estabilidad y rendimiento. Esta función utiliza menos grados de libertad en comparación con las versiones anteriores, y la precisión de esta función también se mejora significativamente en los modelos axisimétricos 2D. Puede verse esta funcionalidad en los modelos "Pierce Electron Gun" y "Child's Law Benchmark".
Desviación de velocidad para la reemisión térmica
El nodo de Thermal Re-Emission que hace que las moléculas se adsorban en una superficie y luego se liberen de nuevo al dominio de simulación con una distribución de velocidad térmica, ahora permite establecer una velocidad de pared. Al rastrear partículas en un marco de referencia giratorio, hay una opción incluida para compensar la velocidad de la pared por la velocidad del marco de referencia, haciendo que la pared sea estacionaria con respecto al marco inercial (o de laboratorio). Puede verse esta función en el modelo actualizado de "Turbomolecular Pump".
Mejoras en el nodo de ionización
Se ha mejorado el nodo de ionización, que se añade al nodo de Colisiones en la interfaz de Trazado de partículas con carga. Ahora puede controlarse por separado si el electrón primario, el electrón secundario y las especies ionizadas se liberan o no después de cada reacción de ionización.
Acumuladores en colisiones de partículas
En los modelos de colisión de Monte Carlo que utilizan la interfaz de Trazado de partículas con carga, ahora puede definirse una variable de dominio (llamada variable acumulada) a la que contribuyen las partículas cada vez que sufren una colisión con el gas de fondo. Esto permite realizar un seguimiento eficaz de la densidad numérica de colisiones en todo el dominio de simulación.
La línea de color muestra una partícula en un gas de fondo enrarecido; su expresión de color es proporcional al número de moléculas de gas que ha golpeado. Cada vez que sufre una colisión, aumenta el valor de una variable acumulada en el elemento de malla donde se produjo la colisión, indicado por el campo de escala de grises.
Nuevos modelos tutoriales
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Pierce Electron Gun |
Turbomolecular Pump |
5.5
NOVEDADES
La versión 5.5 trae nuevas fuerzas de gradiente de presión y masa virtuales para la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow, funcionalidad de fuerza acustoforética mejorada y más maneras de liberar partículas con una distribución de tamaño.
Trazado de partículas más rápido con campos acoplados
Algunos modelos de trazado de partículas correrán significativamente más rápidos en la versión 5.5 que en versiones anteriores. La reducción en el tiempo de cálculo es más aparente si algunas fuerzas ejercidas sobre las partículas están basadas en un campo resuelto en un estudio previo. Los ejemplos típicos incluyen una fuerza eléctrica modelada con la interfaz Electrostatics o un campo de velocidad de fluido modelado con la interfaz Laminar Flow. La aceleración es especialmente notable cuando se acopla a un campo que se calculó utilizando una malla muy fina.
Aquí hay algunos ejemplos de la Librería de Aplicaciones que muestran una mejora de velocidad significativa al resolver trayectorias de partículas, en comparación a la versión anterior:
- dielectrophoretic_separation: reducción del tiempo del 69%
- einzel_lens: reducción del tiempo del 74%
- quadrupole_mass_spectrometer: reducción del tiempo del 45%
Fuerzas de masa virtual y de gradiente de presión
Cuando se incluye una Drag Force en la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow, ahora se tiene la opción de añadir dos nuevas contribuciones de fuerzas, la fuerza de masa virtual y la fuerza de gradiente de presión. El término de masa virtual (a veces llamado el término de masa añadida) representa la aceleración del fluido a medida que ocupa el espacio vacío que una partícula en movimiento deja detrás, lo que puede hacer que la masa inercial de las partículas parezca mayor que su masa real. Estas dos fuerzas son más significativas cuando la densidad de las partículas es comparable o menor que la densidad del fluido circundante.
Ventana de ajustes para la Drag Force, con las fuerzas de masa virtual y gradiente de presión incluidas mediante la marca en una casilla.
Fuerza acustoforética mejorada
La funcionalidad Acoustophoretic Force ha sido renombrada a Acoustophoretic Radiation Force. Esta funcionalidad tiene nuevas expresiones de fuerza que son más precisas, porque tienen en cuenta las capas de contorno viscoso y térmico que se forman alrededor de partículas en un campo de presión acústica. Ahora se puede especificar si las partículas son sólidas o líquidas. Entonces se puede escoger un Thermodynamic loss model: Ideal, Viscous o Thermoviscous.
Distribución de tamaños de partículas
En la versión 5.5 hay una nueva opción para especificar la distribución de tamaños de partículas (PSD) en la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow. Se pueden liberar partículas con una distribución de diámetro, igual que se podía previamente liberarlas con una distribución de masa. Además, cuando se liberan de acuerdo a una distribución lognormal, se puede escoger que tipo de media y desviación estándar se entra.
Las partículas pueden tener un tamaño uniforme, o se puede muestrear la masa o el diámetro de una distribución.
Previsualización de posiciones de liberación de rejilla
Cuando se liberan partículas desde una rejilla de puntos utilizando la funcionalidad Release from Grid, ahora se puede previsualizar las posiciones iniciales de las partículas en la ventana gráfica. En la sección de Initial Coordinates de la ventana de Ajustes, se hace clic en el botón Preview Initial Coordinates para ver las coordenadas iniciales de las partículas como una rejilla de puntos. Haciendo clic en el botón Preview Initial Extents se ve la extensión espacial de las coordenadas iniciales como una caja delimitadora. Estos botones permiten verificar las posiciones iniciales de partículas antes de correr un estudio.
Además, cuando se hace clic con el botón derecho en un nodo de Estudio y se hace clic en Get Initial Value, se puede previsualizar las posiciones iniciales de las partículas y las velocidades para todos los tipos de liberación.
Ventana gráfica después de hacer clic en el botón Preview Initial Coordinates.
Ventana gráfica después de hacer clic en el botón Preview Initial Extents.
Condición de pared de dispersión isotrópica
Ahora se puede seleccionar Isotropic scattering como condición de pared cuando las partículas golpean los contornos en la geometría. Como la condición Diffuse scattering, la condición de dispersión isotrópica hace que las partículas se reflejen con direcciones de velocidad muestreada aleatoriamente alrededor de la normal de superficie. Sin embargo, mientras la condición de dispersión difusa utiliza una distribución de probabilidad basada en la ley del coseno, la condición de dispersión isotrópica sigue una probabilidad que da igual flujo a través de cualquier ángulo sólido diferencial en el hemisferio.
Comparación de condiciones de pared de dispersión difusa (izquierda) e isotrópica (derecha). Cada lado muestra una distribución de 1000 partículas.
Nuevas opciones para emisión de partículas secundarias en paredes
Cuando se liberan partículas secundarias durante una interacción partícula-pared, ahoa se tienen opciones adicionales para controlar la velocidad inicial de las partículas secundarias liberadas. Además de seleccionar una velocidad inicial, lo que permite muestrear la dirección de la velocidad de la partícula isotrópicamente o de acuerdo a la ley del coseno, ahora se puede también escoger inicializar la velocidad de partícula de forma que sea igual a la velocidad de la partícula incidente, proporcionar a la velocidad de partícula incidente, o definida por el usuario.
Especies incluidas para trazado de partículas cargadas
En la interfaz Charged Particle Tracing ahora se puede seleccionar de un número de especies incluidas cuando se especifican las propiedades de las partículas. La masa y el número de carga son entonces asignados automáticamente basándose en las especies que se han escogido. De forma alternativa se puede seleccionar User Defined y entrar valores para la masa y el número de carga directamente.
Pantallazo del nodo Particle Properties para la interfaz Charged Particle Tracing. Como indica la visualización de la ecuación, este pantallazo está tomado de un ejemplo con trazado de partículas relativistas.
Carga de partículas para flujo de fluido
En la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow ahora se puede añadir una funcionalidad Charge Accumulation que modela la carga de partículas debida a una densidad de carga espacial en el fluido circundante. Se dispone de varios modelos de carga diferentes para cubrir todo el rango de números de Knudsen esperados: Lawless, Classical diffusion, Classical field, Classical diffusion and field, y White.
Nuevas herramientas para modelar precipitadores electrostáticos
Una nueva interfaz física, Corona Discharge utiliza un método aproximado para calcular la distribución de carga, haciéndolo más fácil de resolver que un modelo de plasma completamente autoconsistente. Una nueva funcionalidad Charge Accumulation está disponible en el módulo Particle Tracing Module que calcula la acumulación de carga de partículas a medida que viajan a través de un fluido con densidad de carga espacial no nula. Estas herramientas pueden ser utilizadas para modelar eficientemente precipitadores electrostáticos. Pueden verse estasnuevas funcionalidades en los modelos Electrostatic Precipitator y Positive and Negative Corona Discharges.
Distribución de densidad de carga espacial en un precipitador electrostático.
5.4
NOVEDADES
Acumuladores para reinicialización de la velocidad
El Accumulator ahora está disponible como un subnodo del nodo Velocity Reinitialization. Cuando una partícula es redirigida o parada por el Velocity Reinitialization, las variables acumuladas pueden ser incrementadas en el elemento de malla ocupado por la partícula en ese instante.
Distribuciones de velocidad desplazada de partículas liberadas
Cuando las partículas son liberadas con una distribución de velocidad, es posible desplazar todas las velocidades iniciales en la distribución mediante una expresión arbitraria. En versiones anteriores, únicamente era posible desplazar la distribución de velocidad por la velocidad de un marco de referencia rotante con la funcionalidad Rotating Frame.
El principal uso para esta funcionalidad es trazar partículas en un marco de referencia que se mueve a alguna velocidad relativa al marco del laboratorio.
5.3a
NOVEDADES
La versión 5.3a trae un nuevo método de colisión nula para partículas colisionantes, tiempos de liberación de partículas aleatorios, y un nuevo modelo tutorial de referencia.
Método de colisión nula
La funcionalidad Colisiones para la interfaz de Trazado de partículas cargadas ahora soporta un método de colisión nula para el modelado Monte Carlo de la interacción entre iones, electrones o moléculas con un gas enrarecido. El método de colisión nula es capaz de modelar colisiones múltiples para cada partícla dentro de un salto de tiempo simple tomado por el resolvedor. También tiene capacidades limitadas para tener en cuenta variaciones en la frecuencia de colisiones dentro del paso temporal. Este método proporciona el mayor beneficio para simulaciones de partículas energéticas, con velocidades mucho mayores que la velocidad térmica del gas de fondo.
Error relativo del modelo Ion Drift Velocity Benchmark para diferentes tamaños de pasos temporales manuales. En este ejemplo, el método de colisión nula es consistentemente el algoritmo de detección de colisiones más preciso, pero la diferencia es más noable para grandes pasos temporales.
Tiempos de liberación de partículas aleatorios
Además de especificar una lista de tiempos de liberación de partículas, ahora se puede seleccionar una distribución de tiempos de liberación uniforme, normal o lognormal, que puede ser aleatoria o determinista. La distribución normal, por ejemplo, permite que se liberen más partículas cercanas al tiempo de liberación medio y menos partículas en valores temporales lejos de la media del tiempo de liberación.
Reutilización de partículas desaparecidas para emisión secundaria
En modelo con emisión de partículas secundaria ahora se pueden reciclar grados de libertad de partículas que han desaparecido anteriormente en el estudio. Esto ahorra una considerable cantidad de memoria en los modelos donde se crean partículas y aniquilaciones muchas veces en una rápida sucesión.
Fuerzas eléctricas y magnéticas periódicas más flexibles
Ahora se pueden definir fuerzas eléctricas y magnéticas que son periódicas, pero no armónicas en el tiempo. En los ajustes de los nodos de Fuerza eléctrica y Fuerza magnética, se selecciona Periódico de la lista de opciones Time dependence of field. Con esta nueva funcionalidad si se corre una simulación transitoria para calcular el campo eléctrico o magnético en un periodo, entonces se pueden trazar partículas fácilmente en el campo para muchos periodos arbitrariamente.
En simulaciones de plasma, el potencial eléctrico a menudo es periódico pero no tiempo armónico. Arriba se muestra el potencial del tutorial CCP Ion Energy Distribution Function, que requiere el Plasma Module, y un potencial de tiempo armónico para su comparación. Los nuevos ajustes para fuerzas eléctricas y magnéticas periódicas son más compatibles con este tipo de campos periódicos generales.
Distribución térmica de velocidades de partículas desde contornos
Ahora se pueden liberar partículas o reinicializar velocidades de partículas en un contorno muestreando sus velocidades desde una distribución térmica basada en la temperatura de la pared. A diferencia de otras interacciones partícula-pared disponibles, como las reflexiones especulares o difusas, la nueva condición de contorno Thermal Re-emission muestrea la velocidad de la partícula desde una distribución, no solo la dirección del vector velocidad.
La funcionalidad dispone de dos variantes. Se utiliza la Distribución de velocidad térmica disponible con la funcionalidad Entrada para muestrear velocidades de partículas liberadas desde la distribución. Alternativamente utilice la condición de pared Thermal Re-emission para modelar moléculas que son adsorbidas en el contorno y entonces inmediatamente reemitidas dentro del dominio con diferentes velocidades basándose en la temperatura de la superficie.
Liberación basada en rejilla con coordenadas cilíndricas y hexapolares
Ahora se pueden liberar rayos desde una rejilla cilíndrica o hexapolar de puntos cuando se utilice la funcionalidad Liberar desde rejilla. Se puede controlar el centro y la orientación de la distribución cilíndrica, el número de posiciones radiales diferentes y el número de ángulos.
Puede especificarse distribuciones basadas en rejillas cilíndricas con espacios uniformes entre anillos de puntos de rejilla (izquierda), espacios escalados para aproximar una densidad de número espacial uniforme (medio) o un radio definidos por el usuario (derecha).
De izquierda a derecha: Rejillas hexapolares conteniendo dos, cinco y diez anillos de puntos.
Nuevo modelo de referencia: Particle dispersion in a turbulent channel flow
Este modelo tutorial muestra alguno de los fenómenos que ocurren cuando las partículas se mueven a través de un flujo de canal turbulento. La velocidad del fluido se calcula utilizando el modelo Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) y, como resultado, los torbellinos individuales del flujo no se modelan explícitamente. Para acoplar este tipo de campo de flujo a la simulación de trazado de partículas y todavía tener en cuenta la dispersión turbulenta, se utiliza un modelo de camino aleatorio continuo (CRW). El modelo CRW perturba la fuerza de resistencia en las partículas en direcciones aleatorias basándose en la energía cinética turbulenta y en la tasa de disipación turbulenta del fluido.
Este ejemplo muestra como la turbulencia isotrópica, inhomogénea, en la región de la pared, afecta al movimiento de las partículas. Las partículas de suficientemente alta inercia tienden a apliarse cerca de la pared a causa de sus capacidad para cruzar entre difrentes remolinos en el flujo. Para mostrar cómo la inercia de la partícula afecta a la distribución de partículas descendiendo en el canal, se corre un Barrido paramétrico sobre seis diferentes valores del número de Stokes. Los resultados se comparan con datos de simulaciones numéricas directas (DNS) que se encuentran publicada en la literatura.
Histogramas de posición de partículas en unidades viscosas. Los valores más pequeños de y+ corresponden a posiciones más cercanas a las paredes del canal.
5.3
NOVEDADES
La versión 5.3 de Particle Tracing incluye muchas nuevas funcionalidades, entre las que destacan las funcionalidades de Condición periódica y Marco giratorio para rastreo de partículas en sectores y maquinaria rotativa, respectivamente. Además se pueden definir posiciones iniciales aleatorias para liberación de partículas y visualizar caminos de partículas como cintas.
Condición periódica de rastreo de partículas
Se puede utilizar la nueva funcionalidad de Condición periódica para modelar rastreo de partículas en estructuras periódicas o en geometrías con simetrías de sector. Cuando una partícula alcanza una superficie con la Condición periódica es mapeada inmediatamente a un punto de destino en una segunda superficie. Después de que la partícula es mapeada a la superficie de destino, su velocidad puede ser mantenida, rotada (para simetría de sector) o ajustada a un nuevo valor por una expresión definida por el usuario.
Marcos giratorios
La funcionalidad de Marco giratorio en el rastreo de partículas ahora está disponible para rotar marcos de referencia. Cuando se especifica el centro de rotación, la dirección de rotación y la amplitud de la velocidad angular del marco, se aplican automáticamente las fuerzas centrífuga, de Coriolis y de Euler que se ejercen sobre las partículas. El rastreo de partículas en marcos giratorios permite un modelado más fácil del movimiento de partículas en maquinaria rotatoria como mezcladores y bombas turbomoleculares, ya que las trayectorias pueden calcularse en un marco de referencia que se adhiere a la geometría móvil.
Al añadir esta funcionalidad a un modelo, las funcionalidades basadas en la liberación incluyen una opción para especificar cuando la velocidad de la partícula inicial se define respecto al marco giratorio o respecto al marco inercial (no giratorio). Esta última funcionalidad adicional se activa en la sección de Ajustes avanzados seleccionando la casilla de verificación Subtract moving frame velocity from initial particle velocity.
Posiciones iniciales aleatorias
Ahora se pueden liberar partículas en posiciones iniciales aleatorias en dominios, contornos y aristas seleccionadas. Se escogen posiciones únicas para cada tiempo de liberación. Esto está disponible en las funcionalidades Liberar, entrada y Liberar desde arista.
Cintas en trayectorias de partículas
Ahora se pueden visualizar trayectorias de partículas como cintas. A diferencia de con líneas y tubos, las trayectorias de partículas como cintas proporciona la flexibilidad de especificar una orientación así como un camino para el movimiento de la partícula. Para trayectorias curvas es útil utilizar expresiones incluidas para las direcciones normal y binormal para visualizar mejor el movimiento de la partícula.
Movimiento de una partícula cargada en un campo magnético uniforme. La cinta se ha orientado de forma que es paralela a la dirección binormal para la trayectoria curva.
Selección de sistema de coordenadas para entrada
Cuando se liberan partículas en un contorno utilizando la funcionalidad de Entrada, se puede inicializar la velocidad de la partícula o el momento utilizando cualquier sistema de coordenadas que se haya definido para el componente del modelo.
Distribución de velocidad lambertiana
Las funcionalidades de liberación ahora incluyen una opción para liberar rayos con una distribución Lambertiana de direcciones iniciales. Los rayos se liberan con direcciones iniciales basadas en la ley del coseno de Lambert.
La ley del coseno de Lambert dice que la probabilidad de que un rayo sea liberado a través de un elemento diferencial de ángulo sólido dω con ángulo polar θ es proporcional a cos θ. En comparación, en la distribución hemisférica isotrópica, el rayo es liberado con igual probabilidad a través de cualquier ángulo sólido diferencial del hemisferio.
Comparación de distribución de rayos en una liberación hemisférica isotrópica (izquierda) y una liberación Lambertiana (derecha).
Amplitudes no uniformes en distribuciones de velocidad
Para distribuciones de velocidad esférica, hemisférica, cónica y Lambertiana ahora es posible liberar partículas con una distribución de velocidades además de direcciones.
Por defecto, cada partícula que se libera desde el mismo punto en una distribución de velocidad tendrá la misma amplitud. Sin embargo, expresando la velocidad inicial en términos del índice de partícula única, se puede aplicar una velocidad inicial diferente a cada partícula sin cambiar la distribución de direcciones de partículas. Esto facilita la inclusión de distribuciones de velocidad o energía de partículas así como la dirección.
Partículas con velocidad uniformes (izquierda) o una distribución pseudoaleatoria de diferentes velocidades (derecha). La distribución de direcciones de velocidad de partículas se han mantenido sin cambios; se trata de un círculo isotrópico en ambas liberaciones.
Fuerza de elevación
Ahora se dispone de una funcionalidad dedicada de fuerza de elevación (Lift Force) para la interfaz de Rastreo de partículas para flujo de fluido. Las fuerzas de elevación son relevantes cuando las partículas se mueven en un campo de velocidad de fluido no uniforme. La fuerza de arrastre actúa en paralelo con la velocidad de fluido respecto a la partícula, mientras que la fuerza de elevación típicamente actúa normal a ella.
Se dispone de dos formulaciones diferentes para la fuerza de elevación: Saffman y Wall induced. La formulación Saffman para la fuerza de elevación es aplicable a partículas inerciales en un flujo cortante a una distancia apreciable de los contornos. La formulación especializada Wall induced está disponible para partículas neutralmente flotantes en canales.
Dispersión turbulenta anisotrópica
Cuando se aplica un término de dispersión turbulenta aleatoria a la fuerza de arrastre sobre las partículas en un fluido utilizando el modelo de camino aleatorio continuo, la dispersión turbulenta ahora puede ser isotrópica (por defecto) o anisotrópica. Si se utiliza la turbulencia anisotrópica, los términos de dispersión turbulenta se calculan utilizando expresiones para las direcciones paralela al flujo, transversal al flujo y normal a la pared. La turbulencia anisotrópica puede proporcionar una descripción más realista del movimiento turbulento cuando las partículas están cerca de las paredes.
Emisión termoiónica de electrones
Se dispone de una funcionalidad de Emisión termoiónica para modelar la liberación de electrones desde un cátodo de metal caliente y está disponible en la interfaz de Rastreo de partículas con carga. La densidad de corriente total liberada desde el contorno se calcula utilizando la ley de Richardson, donde se pueden especificar la constante de Richardson efectiva, la función de trabajo del metal y la temperatura.
Emisión termoiónica de electrones desde un contorno. La expresión del color es proporcional a la energía cinética de los electrones.
Factor de corrección de arrastre para partículas cerca de las paredes
Un nuevo factor de corrección de arrastre ajusta la fuerza de arrastre que experimentan las partículas cuando se aproximan a las paredes. La mayoría de las leyes de arrastre, como la ley de arrastre de Stokes, se formulan bajo la asunción de que la partícula es extremadamente pequeña en relación con el tamaño de la geometría. Estas correcciones de pared mejoran la precisión cuando la relación entre el radio de la partícula y la distancia a la pared más cercana no es despreciablemente pequeña. Para permitir estas correcciones simplemente se selecciona la casilla de verificación Include wall corrections.
Ventana de ajustes para la funcionalidad de Fuerza de arrastre con la opción Include wall corrections seleccionada para tener en cuenta las paredes cercanas.
Condición de simetría para rastreo de partículas
Ahora la condición de contorno de Simetría especializada está disponible en las interfaces de Trazado de partículas con carga y Rastreo de partículas para flujo de fluido, y reduce el tamaño del modelo y los recursos computacionales necesarios para resolverlo. Es un caso útil y especial de condición de contorno de Pared que siempre impone que las partículas del modelo se reflejen especularmente en los contornos. Esto significa que para cada partícula que deje el dominio de modelado a través de un plano de simetría, una partícula idéntica entrará simultáneamente en el dominio del modelo en la misma localización y el mismo tiempo.
Pasos temporales extra en gráficos de trayectoria
Cuando se visualizan trayectorias de rayos, ahora es más fácil que nunca dibujar pasos temporales adicionales que se corresponden con tiempos de interacción rayo-pared. El número de estos pasos temporales extra ahora pueden ser controlados directamente desde la ventana de Ajustes para el gráfico de Trayectorias de rayos. Se dispone de opciones integradas para especificar el número máximo de pasos temporales extra o como un múltiplo del número de tiempos de solución almacenadas.
A medida que el número de pasos temporales extra en el gráfico de trayectorias crece, los tiempos en los que cada rayo rebota en la pared pueden verse con mayor claridad.
Nueva opción para pares de entradas
Cuando se liberan partículas desde un par de entrada definidas en un montaje, se puede escoger liberar las partículas desde únicamente el contorno de fuente, el contorno de destino, o ambos. Esto es más evidente cuando se utiliza una liberación de partículas basada en la malla, ya que la malla en cualquiera de las caras del par identidad puede ser diferente.
Liberación de partículas basada en la malla desde el contorno de fuente (izquierda), el contorno de destino (medio), o ambos fuente y destino (derecha). En cada rectángulo, el contorno de fuente está en el lado de la malla coloreada más clara.
Modo alternativo de asignar pesos en modelos de carga espacial acoplados bidireccionalmente
Cuando se utiliza un paso de estudio de Trayectoria de partículas bidireccionalmente acoplado para modelar las interacciones partícula-campo eléctrico ahora es posible asignar diferentes pesos a la densidad de carga espacial calculada durante diferentes iteraciones del bucle del resolvedor. Existen opciones integradas para hacer que esos pesos permanezcan constantes (por defecto) o aumenten en una secuencia aritmética o geométrica. Esto puede dar lugar a una convergencia más rápida de los modelos bidireccionalmente acoplados en los que el campo eléctrico y las trayectorias de partículas con carga se influencian mucho entre sí.
Los pesos para la densidad de carga espacial en cada iteración del estudio de Trazado de partículas acoplado bidireccionalmente puede ser uniforme, una secuencia aritmética (mostrado arriba) o una secuencia geométrica.
Criterio de terminación basado en la convergencia para modelos acoplados bidireccionalmente
Para modelos que utilizan un paso de estudio de Trazado de partículas acoplado bidireccionalmente para iterar entre soluciones estacionarias y de trazado de rayos, ahora se puede terminar el lazo del resolvedor basándose en un criterio de convergencia en lugar de un número fijo de iteraciones.
Nuevos acoplamientos de componente en partículas
Se crean automáticamente nuevos acoplamientos de componentes para cada instancia de una interfaz de rastreo de partículas, y el comportamiento de los antiguos acoplamientos de componentes ha cambiado. Los antiguos acoplamientos de componentes, por ejemplo, pt.ptop1(expr), ahora automáticamente excluyen tanto las partículas que todavía no han sido liberadas como las partículas que han desaparecido. Los grados de libertad de estas partículas normalmente son not-a-number (NaN), así que es adecuado excluirlas automáticamente al evaluar sumas y promedios sobre la totalidad de las partícula.
La siguiente tabla lista los acoplamientos de componentes que se crean automáticamente para la interfaz de Trazado matemático de partículas.
| Name | Description |
| `pt.ptop1(expr)` | Suma de expresión `expr` sobre partículas activas, atrapadas y congeladas |
| `pt.ptop_all1(expr)` | Suma de expresión `expr` sobre todas las partículas |
| `pt.ptaveop1(expr)` | Promedio de expresión `expr` sobre partículas activas, atrapadas y congeladas |
| `pt.ptaveop_all1(expr)` | Promedio de expresión `expr` sobre todas las partículas |
| `pt.ptmaxop1(expr)` | Máximo de expresión `expr` sobre partículas activas, atrapadas y congeladas |
| `pt.ptmaxop_all1(expr)` | Máximo de expresión `expr` sobre todas las partículas |
| `pt.ptminop1(expr)` | Mínimo de expresión `expr` sobre partículas activas, atrapadas y congeladas |
| `pt.ptminop_all1(expr)` | Mínimo de expresión `expr` sobre todas las partículas |
| `pt.ptmaxop1(expr, evalExpr)` | Evalúa `evalExpr` en el máximo de expresión `expr` sobre partículas activas, atrapadas y congeladas |
| `pt.ptmaxop_all1(expr, evalExpr)` | Evalúa `evalExpr` en el máximo de expresión `expr` sobre todas las partículas |
| `pt.ptminop1(expr, evalExpr)` | Evalúa `evalExpr` en el mínimo de expresión `expr` sobre partículas activas, atrapadas y congeladas |
| `pt.ptminop_all1(expr, evalExpr)` | Evalúa `evalExpr` en el mínimo de expresión `expr` sobre todas las partículas |
Estadísticas adicionales basadas en el estado de las partículas
Cuando se seleccione la casilla Almacenar datos de estado de partícula, se definirán las siguientes nuevas variables.
(Nota: Las expresiones son escritas para una instancia de la interfaz de Trazado matemático de partículas con etiqueta pt. Las etiquetas de interfaz física serán naturalmente diferentes para diferentes interfaces físicas.)
| Etiqueta | Nombre | Descripción |
| pt.fac | `pt.ptop1(pt.fs==1)` | Fracción de partículas activas en tiempo final |
| pt.ffr | `pt.ptop1(pt.fs==2)` | Fracción de partículas congeladas en tiempo final |
| pt.fst | `pt.ptop1(pt.fs==3)` | Fracción de partículas atrapadas en tiempo final |
| pt.fds | `pt.ptop1(pt.fs==4)` | Fracción de partículas desaparecidas en tiempo final |
| pt.fse | `pt.ptop1(!primary&&pt.fs>0)/pt.Ms` | Fracción de partículas secundarias liberadas en tiempo final |
Nuevo tutorial: referencia de enfoque inercial
Durante más de 50 años, se ha sabido que las partículas neutralmente flotantes en un canal de fluido tienden a converger a localizaciones específicas en la sección transversal del canal. Para una tubería cilíndrica, o dos planos paralelos que llevan un flujo de Poiseuille, la posición de equilibrio es aproximadamente 0.6 veces el radio de la tubería, o una distancia de las paredes paralelas de aproximadamente 0.2 veces el ancho del canal, respectivamente. Este efecto, a veces se refiere como el efecto Segre-Silberberg, mientras que un anillo de partículas con un radio de 0.6 veces el radio de la tubería a veces se llama el anillo de Segre-Silberberg.
En este modelo de referencia se reproduce el caso de un canal de flujo limitado por dos paredes paralelas. Las fuerzas de elevación y arrastre dependientes de la pared son aplicadas sobre las partículas neutralmente flotantes mientras son llevadas a lo largo del canal por un perfil de velocidad de fluido parabólico. A medida que las partículas son transportadas a través del canal, la fuerza de elevación inercial causa que alcancen las posiciones de equilibrio a una distancia del centro de 0.3D, donde D es la distancia entre paredes. Estas posiciones de equilibrio son consistentes con el efecto Segre-Silberberg.
Nuevo tutorial: Emisión termoiónica en un diodo plano
Cuando se emiten electrones de un cátodo calentado en un diodo de vacío de plano paralelo, estos contribuyen a la densidad de carga espacial en el diodo, lo que a su vez afecta la distribución de potencial eléctrico. Si la diferencia de potencial entre el cátodo y el ánodo no es suficientemente grande se forma un mínimo de potencial entre ellos, repeliendo a los electrones de insuficiente energía de vuelta hace el cátodo. Este tipo de diodo se dice que opera en el régimen limitado de carga espacial.
En este modelo de referencia, se utiliza la funcionalidad dedicada de Emisión termoiónica para liberar electrones térmicos desde un cátodo de una temperatura y función de trabajo especificados. Las trayectorias de los electrones están bidireccionalmente acopladas al cálculo del potencial eléctrico en el diodo utilizando el acoplamiento multifísico especializado de Interacción campo partícula eléctrica y el paso de estudio de Trazado de partículas bidireccionalmente acopladas. La distribución de potencial eléctrico y la corriente del ánodo se comparan favorablemente a los resultados del modelo analítico de Langmuir-Fry.
Potencial eléctrico cerca del cátodo en un diodo plano, en comparación con datos de referencia. Cuando se incluyen en el modelo interacciones campo-partícula autoconsistentes, se forma una barrera de potencial cerca del cátodo.
Nuevo tutorial: lente de Einzel
Una lente de Einzel es un dispositivo electrostático para enfocar haces de partículas cargadas. Se puede encontrar en tubos de rayos catódicos, haces de iones, experimentos de haces de electrones y sistemas de propulsión de iones. Este modelo en particular consta de tres cilindros alineados axialmente. Los cilindros externos son puestos a tierra, mientras que el cilindro del medio se fija a una tensión concreta. Se calcula el campo electrostático 3D con la interfaz Electrostática y se calculan las trayectorias de partículas utilizando la interfaz de Trazado de partículas con carga.
Trayectorias del electrón en una lente de Einzel. El haz se enfoca cerca de los electrodos alrededor de los cuales se muestran las isosuperficies de potencial eléctrico.
Nuevo tutorial: Bomba turbomolecular
La interfaz de Flujo de moléculas libres disponible en el módulo Molecular Flow es una herramienta eficiente para modelar gases extremadamente raros cuando las moléculas de gas se mueven mucho más rápidas que cualquier entidad geométrica en el dominio. Para bombas turbomoleculares, en las que las palas se muevan a velocidades comparables con la velocidad térmica de las moléculas de gas, se necesita una aproximación de Monte Carlo.
En este ejemplo, se calculan las trayectorias de las moléculas de gas en el espacio vacío entre dos palas rotatorias de una bomba turbomolecular. El modelo utiliza la nueva funcionalidad de Marco rotativo, que aplica fuerzas centrífugas y de Coriolis a las partículas, permitiendo calcular las trayectorias en un marco de referencia no inercial que se mueve con las palas rotatorias. El efecto de la velocidad de las palas en el factor de compresión se muestra utilizando un Barrido paramétrico.
Nota: El modelo del ejemplo también requiere Particle Tracing Module.
Pantallazo del modelo tutorialo Turbomolecular Pump. A medida que la velocidad de las palas crece, las moléculas tienen una mayor probabilidad de transmitirse hacia adelante a través de la bomba y menor probabilidad de transmitirse hacia atrás, como se muestra en la tasa de compresión creciente.
5.2a
NOVEDADES
Particle Tracing Module 5.2a trae una nueva formulación, mejoras en el gráfico de trayectorias de partículas, nuevas opciones de dispersión turbulenta y otras mejoras.
Formulación newtoniana de primer orden
La formulación de primer orden, newtoniana se ha añadido a la lista de Formulación en la ventana de ajustes para todas las interfaces físicas de Trazado de partículas. Mientras que la formulación newtoniana define ecuaciones de segundo orden para las componentes del vector de posición de cada partícula, la formulación newtoniana de primer orden define ecuaciones de primer orden acopladas para la posición de la partícula y las componentes de velocidad.
La formulación newtoniana de primer orden soporta todas las mismas funcionalidades físicas que la formulación de segundo orden, pero es más fácil de combinar con métodos de pasos temporales explícitos. Cuando se escoge la formulación newtoniana de primer orden, el método de pasos temporales por defecto es un método Runge-Kutta de orden superior en lugar del típico método de segundo orden, dando lugar a rendimientos más rápidos en ciertos problemas no rígidos.
Mejoras en el gráfico de trayectorias de partículas
Ahora se puede almacenar automáticamente las trayectorias de las partículas en pasos temporales adicionales que están cerca de los tiempos de interacción partícula-pared. Usualmente, estos tiempos extras se seleccionan automáticamente para que estén cerca de los tiempos en los que las partículas interaccionan con los contorno, describiendo con mayor precisión las interacciones partícula pared durante el postprocesado. Seleccionando la casilla de Almacenaje de pasos temporales extra para interacciones de pared automáticamente almacenará una serie de pasos temporales adicionales, además de los pasos que se especifiquen en los ajustes del estudio.
Trayectoria de un partícula de un único rebote bajo la influencia de la gravedad; cuando se almacenan pasos temporales extra, la posición exacta de cada rebote es mucho más visible en el gráfico de Trayectorias de partículas.
Mejoras del haz de partículas
La funcionalidad de Haz de partículas contiene varias nuevas opciones y ya no depende de la malla.
- El muestreo de la opción de elipse de espacio de fases, Uniforme, se ha renombrado a KV. Además la distribución del espacio de fases es ligeramente diferente; pueden aparecer algunos pequeños cambios en la solución cuando se recalcula la solución.
- Disponibles dos nuevas opciones para Muestreo de elipse de espacio de fases: Bolsa de agua y Parabólico. Estas funciones de distribución ofrecen una carga alternativa de partículas en el espacio de fase (ver abajo).
- Nuevas opciones disponibles para la distribución de velocidad longitudinal: Ninguna, Normal, Uniforme y Lista de valores. Las opciones Normal, Uniforme, y Lista de valores pueden lanzar múltiples partículas con una distribución de velocidades longitudinales en cada punto de lanzamiento.
Nuevas opciones para Muestreo desde elipse de espacio de fase
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Opción de muestreo |
Orientación |
Especificación de velocidad |
Representación visual |
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Bolsa de agua |
Vertical |
Parámetros de Twiss |
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Parabólica |
Vertical |
Parámetros de Twiss |
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Bolsa de agua |
No vertical |
Parámetros de Twiss |
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Parabólico |
No vertical |
Parámetros de Twiss |
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Bolsa de agua |
Vertical |
Dimensiones de elipse |
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Parabólico |
Vertical |
Dimensiones de elipse |
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Bolsa de agua |
No vertical |
Dimensiones de elipse |
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Parabólico |
No vertical |
Dimensiones de elipse |
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Nuevas opciones para dispersión turbulenta
La opción para aplicar un término de dispersión turbulenta a la funcionalidad de Fuerza de resistencia ha sido revisada. La casilla de Dispersión turbulenta ha sido reemplazada con una lista de modelos de Dispersión turbulenta. Además del modelo de Camino aleatorio discreto, que replica el término de dispersión turbulenta, se puede seleccionar Camino aleatorio discreto, paso temporal variable, que estima el tiempo de vida de remolino y lo utiliza para controlar la semilla de números aleatorios en el término de dispersión turbulenta. Usualmente, esto resulta en fluctuaciones turbulentas más precisas si el paso temporal tomado por el resolvedor es suficientemente pequeño. También se puede seleccionar un modelo de Camino aleatorio continuo para calcular la perturbación de velocidad para cada partícula debida a la dispersión turbulenta, por la integración de una ecuación de Langevin.
Erosión de codo de tubería: Las partículas sedimentarias chocan en la pared de un codo de tubería. Las partículas incidentes se dispersan debido a la dispersión turbulenta en el fluido. La expresión de color en las paredes es proporcional al índice de desgaste por erosión debido a las partículas incidentes.
Nuevas herramientas para modelado de liberación y disgregación de gotas de líquido
Ahora se pueden modelar partículas como gotas de líquido que pueden disgregarse como resultado de fuerzas externas. La nueva funcionalidad de Disgregación de gotas incluye dos modelos internos de disgregación - los modelos de disgregación de Kelvin-Helmholtz y de Rayleigh-Taylor — que se corresponden con dos mecanismos físicos diferentes para la disgregación de gotas de líquido en gotas hijas más pequeñas.
Adicionalmente, se puede utilizar la nueva funcionalidad de Tobera para liberar un rociado de gotas de líquido en el dominio del modelo. Se puede especificar el ángulo de rociado directamente o utilizando una ecuación interna basada en inestabilidades de Kelvin-Helmholtz. Nótese que para añadir la funcionalidad de Tobera, primero se tiene que marcar las casillas de Cálculo de masa de partículas y Habilitar macropartículas en el nodo de la interfaz Trazado de partículas para flujo de fluido.
Un rociado de gotas en un flujo cruzado se dispersa debido a la combinación de disgregación y turbulencia.
Trazado de partículas reestructurado para el menú contextual de flujo de fluido
El menú contextual para el Trazado de partículas para la interfaz de Flujo de fluido se ha reorganizado para mejorar la comprensión. Ahora se incluyen todas las fuerzas en un submenú separado de Fuerzas. De forma similar si se selecciona la casilla de Cálculo de temperatura de partículas, todas las fuentes de calor se incluyen en un submenú separado bajo Térmico.
5.2
Nueva app: Simulador de célula de intercambio de carga
Una célula de intercambio de carga consta de una región de gas a una elevada presión dentro de una cámara de vacío. Cuando un haz de iones interactúa con el gas de más alta densidad, los iones experimentan reacciones de intercambio de carga con el gas, creando partículas energéticamente neutras. Es probable que únicamente una fracción de los iones del haz se verán sometidos a reacciones de intercambio de carga. Por lo tanto, para neutralizar el haz, se posicionan fuera de la célula un par de placas deflectoras cargadas. De esta manera puede producirse una fuente energéticamente neutra.
La app Charge Exchange Cell Simulator simula la interacción de un haz de protones con una célula de intercambio de carga que contiene argón neutro. Las entradas del usuario incluyen varios parámetros geométricos para la célula de gas y la cámara de vacío, propiedades del haz, y las propiedades de las placas cargadas que se utilizan para desviar los iones remanentes.
La app de simulación calcula la eficiencia de la célula de intercambio de carga, medida como la fracción de iones que son neutralizados, y registra las estadísticas sobre la diferencia de tipos de colisiones que ocurren.
Interfaz de usuario para la app Charge Exchange Cell Simulator.
Nueva app: Diseñador de mezclador de partículas estáticas laminar
En los mezcladores, se bombea un fluido a través de una tubería que contiene aspas de mezclado estacionarias. Esta técnica de mezcla es adecuada para mezcla de flujos laminares, porque genera únicamente pequeñas pérdidas de presión en este régimen de flujo. Cuando se bombea un fluido a través del canal las direcciones alternativas de las aspas de sección transversal mezclan el fluido a medida que pasa a lo largo del canal. La técnica de mezcla estática permite un control preciso de la cantidad de mezcla que tiene lugar a través del proceso. Sin embargo, el rendimiento del mezclador puede variar en gran medida dependiendo de su geometría.
La app Laminar Static Particle Mixer Designer calcula la velocidad del fluido y el campo de presión en un mezclador estático, así como las trayectorias de las partículas que son transportadas por el fluido. Como las partículas tienen masa, no siguen exactamente las líneas de flujo de la velocidad del fluido, causando que algunas partículas golpeen las aspas de mezcla.
La app de ejemplo calcula la probabilidad de transmisión de las partícula en el mezclador. También evalúa el índice de dispersión, que mide la uniformidad con la que diferentes especies de partículas se mezclan entre sí.
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Lanzamiento desde aristas y puntos
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Con COMSOL Multiphysics 5.2, los nodos de Release from Edge y Release from Point pueden utilizarse para lanzar partículas desde aristas y puntos en una geometría, respectivamente. Cuando se lanzan partículas a lo largo de una arista, las posiciones de las partículas pueden basarse en la malla, ser ponderadas por una función de densidad definida por el usuario, o distribuidas uniformemente a lo largo de la longitud de la arista. |
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Lanzamiento basado en la densidad mejorado
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Las funcionalidades de lanzamiento que inicializan la posición de la partícula según una función de densidad ahora tienen nuevos ajustes que los hacen mucho más precisos. Ahora es posible especificar un orden de precisión de la distribución de lanzamiento y un factor de refinamiento de la posición en los ajustes para los nodos Release, Inlet y Particle Beam así como el nuevo nodo Release from Edge. La mejora en la precisión es más notable cuando la malla subyacente es muy gruesa o la densidad de partículas varía significativamente entre diferentes elementos de malla. |
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Colisiones de intercambio de carga
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Ahora se pueden añadir dos nuevos tipos de colisiones al nodo Collisions: Intercambio de carga resonante e intercambio de carga no resonante. El nodo de intercambio de carga resonante se utiliza cuando iones energéticos son sometidos a reacciones de intercambio de carga con átomos neutros ambientales del mismo elemento o moléculas de la misma sustancia. La funcionalidad de intercambio de carga no resonante se utiliza cuando las especies neutras e ionizadas son de diferentes elementos o sustancias. En ambos casos, después de la colisión, es posible continuar siguiendo las especies ionizadas, especies neutras o ambas. |
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Mejoras en el haz de partículas
En la funcionalidad de haz de partículas se dispone de nuevas opciones para hacer que la posición transversal y las distribuciones de velocidad sean más fáciles de especificar. Esto facilita mucho lanzar haces con elipses de espacio de fases de un cierto tamaño, forma y orientación. La vista de ecuación se ha mejorado y aumentado con imágenes para proporcionar una indicación mejor de lo que hacen las diferentes opciones.
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Muestreo |
Orientación |
Especificación de velocidad |
Imagen |
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Uniforme |
Vertical |
Parámetros de Twiss |
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Uniforme |
No vertical |
Parámetros de Twiss |
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Uniforme |
Vertical |
Dimensiones de elipse |
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Uniforme |
No vertical |
Dimensiones de elipse |
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Gausiano |
Vertical |
Parámetros de Twiss |
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Gausiano |
No vertical |
Parámetros de Twiss |
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Gausiano |
Vertical |
Dimensiones de elipse |
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Gausiano |
No vertical |
Dimensiones de elipse |
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Contadores de partículas
Una funcionalidad Contadores de Partículas es una funcionalidad de dominio o contorno que proporciona información sobre las partículas que llegan en un conjunto de dominios o superficies seleccionadas a partir de una funcionalidad de lanzamiento. Estas cantidades incluyen el número de partículas transmitidas, la probabilidad de transmisión, la corriente transmitida, la tasa de flujo de masa, y más. Esta funcionalidad, nueva en COMSOL Multiphysics 5.2, proporciona expresiones de resultados apropiadas que pueden utilizarse en el nodo Filters del gráfico Particle Trajectories, que permite visualizar únicamente las partículas que alcanzan la selección del contador de partículas.
Las siguientes variables son proporcionadas por la funcionalidad contador de partículas, con la etiqueta de funcionalidad
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.Nfin - El número de partículas transmitidas desde la funcionalidad de lanzamiento al contador de partículas en el tiempo final.
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.Nsel - El número de partículas transmitidas desde la funcionalidad de lanzamiento al contador de partículas.
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.alpha - La probabilidad de transmisión desde la funcionalidad de lanzamiento al contador de partículas
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.rL - Una expresión lógica para la inclusión de partículas. Se puede establecer en el nodo Filter del gráfico de trayectoria de partículas para visualizar las partículas que conecta la funcionalidad de lanzamiento con el contador.
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.lt - La corriente transmitida desde la funcionalidad de lanzamiento al contador de partículas. Esta variable solo está disponible para la interfaz Charged Particle Tracing cuando la especificación de lanzamiento de partículas se pone a Specify current.
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.mdott - La tasa de flujo de masa transmitida desde la funcionalidad de lanzamiento al contador de partículas. Esta variable solo esta disponible en la interfaz Particle Tracing for Fluid Flow cuando la especificación de lanzamiento de partículas se pone a Specify mass flow rate.
Si la funcionalidad Contador de partículas es una funcionalidad de Haz de partículas en la interfaz Charged Particle Tracing, se dispondrá de variables adicionales para la posición media, velocidad y energía de las partículas transmitidas.
Interacciones partícula-materia
Ahora se puede modelar la interacción de iones energéticos con materia sólida utilizando la funcionalidad Particle-Matter Interactins. Esta funcionalidad soporta dos subfuncionalidades para diferentes tipos de interacciones:
- Ionization loss se utiliza para modelar la pérdida continua de energía a medida que los iones interactúan con electrones en el material objetivo.
- Nuclear stopping se utiliza para modelar la deflexión de iones energéticos por los núcleos objetivo.
A medida que la energía cinética inicial de los iones es incrementada, su interacción con el material sólido se ve dominada por pérdidas de ionización en vez de interacciones nucleares estocásticas. Como consecuencia, los iones altamente energéticos tienden a seguir caminos prácticamente rectos, mientras que iones menos energéticos siguen caminos más aleatorios.
Nuevo tutorial: Referencia rango de ion
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El modelo Ion Range Benchmark simula el paso de protones energéticos a través de silicio con pérdidas de ionización y dispersión nuclear. La energía inicial de los protones se varía utilizando un barrido paramétrico desde 1 keV a 100 MeV. La longitud media del camino de los protones se compara con valores publicados de rango de ion bajo la aproximación de la ralentización continua (continuous slowing down approximation o CSDA) así como el rango proyectado en la dirección inicial de movimiento. Los datos simulados y experimentales concuerdan bien. |
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Nuevo tutorial: Microsonda de iones de alta resolución y sensibilidad (SHRIMP)
La microsonda de iones de alta resolución y sensibilidad (SHRIMP) se utiliza para transmitir iones de una energía inicial dada y un ratio carga a masa especificado al someter un haz entrante a fuerzas eléctricas y magnéticas apropiadamente sintonizadas. El haz se envía inicialmente a través de un sector curvo con una fuerza eléctrica radial, y entonces a través de un segundo sector curvo con una densidad de flujo magnético uniforme.
Este modelo tutorial utiliza la funcionalidad de haz de partículas del programa COMSOL Multiphysics® para examinar el rendimiento del espectrómetro de alta precisión, donde únicamente una fracción del haz entrante es transmitida al detector. El modelo calcula la probabilidad de transmisión y visualiza la trayectoria nominal del haz transmitido.
Un haz de iones en el SHRIMP es sometido a un campo eléctrico radial (rojo) seguido por una densidad de flujo magnético uniforme (azul). El color del haz indica la norma de la velocidad de la partícula.
5.1
NOVEDADES
Nueva app: separación de glóbulos rojos
Esta app examina la separación de glóbulos rojos y plaquetas en un canal microfluídico utilizando dielectroforesis. Los diámetros de los glóbulos rojos y las plaquetas son entradas, así como la frecuencia electromagnética y el potencial aplicado. Se calcula la eficiencia de separación y existe gráficos visuales para las trayectorias de partículas, potencial eléctrico y velocidad del fluido.
Los glóbulos rojos y plaquetas se separan mediante fuerza dielectroforética. La salida inferior derecha de la geometría únicamente libera glóbulos rojos, indicando que la muestra es suficientemente pura para un análisis posterior.
Nuevas interfaces multifísicas para trazado de partículas
Se han introducido los siguientes nuevos acoplamientos multifísicos
- Interacción partícula-campo eléctrico: Utiliza las posiciones de partículas cargadas para generar una densidad de carga espacial que puede ser incluida en una interfaz electrostática.
- Interacción partícula-campo magnético: Utiliza las posiciones y velocidades de partículas cargadas para generar una densidad de corriente que puede ser incluida en una interfaz de campos magnéticos.
- Interacción fluido-partícula: Calcula la fuerza de volumen ejercida sobre un fluido por partículas.
Para cada nuevo acoplamiento multifísico, existe una nueva interfaz multifísica que puede utilizarse para crear las interfaces físicas necesarias.
- La interfaz interacción partícula campo, no relativista crea una interfaz electrostática, una interfaz de trazado de partícula cargada, y el acoplamiento multifísico interacción partícula-campo eléctrico. Utiliza esta interfaz para modelar haces de corriente constante de partículas cargadas a velocidades no relativistas.
- La interfaz interacción partícula campo, relativista crea una interfaz electrostática, una interfaz de trazado de partículas cargadas, una interfaz de campos magnéticos y los acoplamientos multifísicos de interacción partícula-campo eléctrico e interacción partícula-campo magnético. Utiliza esta interfaz para modelar haces de partículas cargadas relativistas a corriente constante que pueden generar campos magnéticos significativos. Este acoplamiento multifísico también requiere el módulo AC/DC.
- La interfaz interacción partícula-fluido crea una interfaz de flujo monofásico, una interfaz de trazado de partículas en fluidos, y el acoplamiento multifísico de interacción fluido-partícula. Utiliza esta interfaz para modelar el flujo de partículas en un fluido cuando la tasa de flujo de masa es constante.
El modelo relativista del haz de electrones divergente utiliza los nuevos acoplamientos multifísicos, como se detalla en una descripción del modelo más abajo en la página.
Paso de estudio de trazado de partículas acopladas bidireccionalmente
El nuevo paso de estudio de trazado de partículas acopladas bidireccionalmente puede utilizarse para configurar acoplamientos bidireccionales entre trayectorias de partículas y campos. Automáticamente crea un par de nodos For/End For en la secuencia del resolvedor, que permite trayectorias de partículas dependientes del tiempo y campos estacionarios que interactúen con los otros.
Colisiones inelásticas
El nuevo nodo de Colisiones puede utilizarse para modelar diferentes tipos de interacciones entre partículas cargadas y un gas de fondo. Los siguiente subnodos, cada uno representando un tipo de interacción diferente, pueden añadirse al nodo de Colisiones:
- Elástico
- Adjunto
- Excitación
- Ionización
- Definido por el usuario
Cada uno de los subnodos del nodo de colisiones está basado en un modelo de dispersión de Monte Carlo en el que a cada partícula se le da una probabilidad para sufrir una colisión basada en la frecuencia de colisión y el tamaño de los pasos temporales.
El nodo de colisiones reemplaza la funcionalidad de fuerza de colisión elástica. El modelo de fricción, una fuerza determinista a la que antes se accedía a través de la funcionalidad de fuerza de colisión elástica, ahora puede utilizarse mediante el nodo dedicado de fuerza de fricción.
Nueva funcionalidad de lanzamiento para haces de partículas
El nuevo nodo de haces de partículas puede utilizarse para lanzar haces de partículas cargadas especificando la emitancia del haz y los parámetros de Twiss, con una distribución elíptica o gausiana en el espacio de fase. Además, las nuevas variables globales permiten que se visualicen fácilmente durante los resultados de postprocesado valores como la emitancia del haz.
Lente magnética: Las partículas son lanzadas en un haz con una distribución simétrica bi-Gausiana (superior izquierda). La hiperemitancia del haz se visualiza a lo largo de la trayectoria nominal (inferior izquierda). Un mapa de Poincaré muestra las posiciones de partículas en varias secciones transversales, cada una indicada con un color diferente (derecha).
Emisión limitada de carga espacial
Ahora se dispone de un nodo multifísico dedicado para emisión limitada de carga espacial de partículas desde una superficie. La emisión limitada de carga espacial de electrones ocurre cuando cualquier incremento adicional en la corriente de partículas emitidas generaría un densidad de carga espacial suficientemente alta para repeler partículas de vuelta a la superficie de la que fueron liberadas. El nodo de emisión limitada de carga espacial y el nodo de interacción de campo eléctrico de partículas pueden utilizarse juntos para determinar la corriente limitada de carga espacial. Se ha añadido un nuevo tutorial en la librería de aplicaciones llamado Child's Law Benchmark, que demuestra este efecto.
Acumuladores mejorados
Las funcionalidades de Acumulador a nivel de dominio ya no requieren ajustes manuales de lo pasos temporales para que sean pequeños; ahora, en la mayoría de los casos, las variables acumuladas pueden calcularse con los ajustes por defecto del resolvedor. Como resultado, muchos modelos que utilizan los nodos Acumulador en dominios ahora se calculan en diez o más veces más rápido y con mejor precisión. También se dispone ahora de nuevas opciones para determinar cómo se interpola la variable acumulada cuando las partículas cruzan sobre muchos elementos de malla en un único paso temporal.
Liberar partículas desde un archivo de texto
Ahora es posible inicializar las posiciones de las partículas y sus velocidades utilizando datos desde un archivo de texto importado utilizando el nodo Release from Data File.
Nuevas opciones para muestrear desde distribucioines de velocidad
| Cuando se liberan partículas con una distribución esférica, hemisférica, cónica o Maxwelliana, se puede escoger liberarla con una distribución de velocidad determinista o utilizando un muestra aleatoria de esta distribución. |  Comparación de muestras determinista y aleatoria para una liberación cónica de partículas. |
Nuevos ajustes de fuerza de interacción partícula-partícula
Se dispone de una nueva opción de fuerza de interacción partícula-partícula incluida: fuerza elástica lineal. Seleccionando esta opción para aplicar una longitud de corte para cualquier fuerza de interacción partícula-partícula pone la fuerza a cero cuando las partículas son suficientemente lejos.
Combinaciones especificadas cuando se liberan partículas desde una rejilla
El nodo Release from Grid ahora puede utilizarse para liberar partículas con combinaciones especificadas de coordinadas o todas la combinaciones de coordenadas. Cuando se liberan partículas, es posible seleccionar un tipo de rejilla: All combinations o Specified combinations. Esta funcionalidad permite un control mucho más fino sobre las posiciones iniciales de las partículas, facilitando liberar partículas en localizaciones diferentes a la rejilla rectangular.
Nuevo tutorial: haz de electrones divergente relativista
| Cuando se modela la propagación de haces de partículas cargadas a altas corrientes y velocidades relativistas, la carga espacial y la corriente del haz crean fuerzas eléctricas y magnéticas significativas que tienden a expandir y enfocar el haz, respectivamente. La interfaz de trazado de partículas cargadas utiliza un procedimiento interactivo para calcular eficientemente las trayectorias de partículas fuertemente acopladas y los campos eléctrico y magnético para un haz funcionando a corriente constante. Un estudio de refinamiento de la malla confirma que la solución concuerda con la expresión analítica para la forma de una envolvente de haz relativista. |  Un haz de electrones relativistas es liberado en la cintura y empieza a diverger. El campo eléctrico (rojo) y el campo magnético (azul) del haz son visualizados a lo largo de su trayectoria. |
Nuevo tutorial: Child's Law Benchmark
La emisión limitada de carga espacial es un fenómeno que restringe la corriente de partículas cargadas que pueden liberarse desde una superficie. A medida que la corriente de electrones liberada desde el cátodo crece, lo mismo ocurre con la amplitud de la densidad de carga espacial en la vecindad más próxima al cátodo. Esta distribución de densidad de carga ejerce una fuerza eléctrica sobre los electrones emitidos, dirigidos hacia el cátodo. La corriente limitada de carga espacial es la corriente máxima que puede liberarse tal que las partículas emitidas no son repelidas de vuelta hacia el cátodo.
En este ejemplo, se calcula la corriente limitada de carga espacial en un diodo de vacío de plano paralelo utilizando el nodo de emisión limitada de carga espacial. La distribución de potencial eléctrico resultante y la corriente se comparan con la solución analítica dada por la ley de Child. La densidad de corriente se calcula utilizando un estudio, llamado trazado de partículas acopladas bidireccionalmente, que establece un acoplamiento bidireccional entre las trayectorias de partículas y el potencial eléctrico.
5.0
Acumuladores
Las funcionalidades Acumulador son herramientas de propósito general que definen variables dependientes, llamadas variables acumuladas, en dominios o contornos. Los valores de esas variables se actualizan como partículas que se mueven a través de dominios o chocan con los contornos. Las variables acumuladas pueden ser dependientes de propiedades tanto de los dominios como de las partículas. Se dispone de ajustes internos par calcular las variables acumuladas basándose en la posición actual de cada partícula, o basándose en las posiciones de las partículas en todos los pasos temporales anteriores. El Acumulado puede ser utilizado para contar partículas dentro de una cierta región o para calcular la densidad de varias propiedades de partícula, como la densidad de masa, densidad de número y densidad de carga.
Alternativamente, un Acumulador puede añadirse a una Pared, Salida o funcionalidad de contorno de Simetría Axial. En este caso, la variable acumulada solo se define en el contorno, y solo cambia cuando las partículas interaccionan con los contornos. Esto proporciona una manera eficiente de contar colisiones con paredes, y también puede utilizarse para calcular el flujo de cualquier propiedad de partícula en el contorno. Por ejemplo, un Acumulador puede calcular el flujo de momento en un contorno, lo que puede usarse entonces para calcular la presión. El Acumulador puede trabajar conjuntamente con la interfaz de Malla móvil, así la geometría puede deformarse basándose en el flujo de partículas en la superficie.
COMSOL Multiphysics 6.3