COMSOL V4.2a模块介绍粒子追踪模块 - simwe.com · Infinitely Closer to Real 无限接近真实！中仿科技 2011年12月 COMSOL V4.2a模块介绍粒子追踪模块

Infinitely Closer to Real

无限接近真实！

中仿科技

2011年12月

COMSOL V4.2a模块介绍

粒子追踪模块





V4.2a 产品结构示意图

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粒子追踪模块

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V4.2 粒子追踪模块

扩展了原有粒子追踪功能，增加了粒子和物理场之间的双向耦合功能可以与其他任何物理模块一起运行，提供更完备的模拟工具

优点：

避免有限元方法中高Peclet数带来的数值不稳定性描述问题的数学更简单求解COMSOL目前无法处理的不同等级问题

主要应用领域包括：流场可视化混合喷雾颗粒分离质谱分析

Ion cyclotron motion

离子光学束流物理学离子能量分布函数声流效应光迹追踪





粒子追踪模块的应用模式

带电粒子追踪流体流动的粒子追踪数学粒子追踪





使用本模式模拟离子和电子在电磁场中的轨迹

预定义力

一般电磁场由AC/DC模块的某个接口预先计算

粒子-场相互作用

带电粒子追踪





使用本模式模拟微观粒子在流体中的运动

预定义力

一般速度场由CFD或微流模块的某个接口预先计算

流体-粒子相互作用

流体流动的追踪





求解每个粒子所对应方程的完整自由度

类似COMSOL基本模块中的PDE模式

许多不同的方法求解同一个问题，例如：

数学粒子追踪

公式运动方程磁场中的带电粒子

Lagrangian

Hamiltonian

Newtonian

无质量 N/A





冻结（缺省）粘附

消失反弹

边界条件





冻结（缺省）当粒子撞击壁面时，粘附于其上

当粒子与壁面作用时，其速度在之后所有时步中都被冻结

这对于获得粒子撞击壁面时的速度和能量分布函数很有用

可用于等离子体模型中计算离子能量分布函数

边界条件 – 冻结





边界条件 – 反弹

反弹对于Newton、Lagrange和Hamilton算子，粒子能在壁面上反弹（镜面反射）

本选项对无质量粒子追踪不适用

动量完全守恒

对基于流体的应用和对称轴很有用





基于网格设定细化因子。细化因子越大，释放的粒子就越多

设定与某表达式成比例的粒子密度表达式可以是参数和变量的函数。设定为1就是均匀分布

在边界上均匀分布在平面上给出完全均匀的粒子分布

基于格点的粒子释放输入粒子初始位置的格点坐标

粒子释放





细化因子 = 1 细化因子 = 2

基于网格的粒子释放





表达式 = 1 表达式 = 1/(x2+y2)

基于密度的粒子释放





从 -0.4 到 0.4 均匀释放分层级的格点

基于格点的粒子释放





在边界上均匀释放在3D边界上均匀释放

均匀粒子释放





粒子轨迹图

Poincare截面和图

相图

交互指向和点击粒子

动画

直方图

传输概率

相图

Rossler吸引子的Poincare图

后处理特征





微混合器粒子追踪

此模型模拟了在一个微混合器中微观粒子的混合过程。模型使用Navier-Stokes方程分别模拟在内部求解域的旋转框架内和外部求解域的固定坐标系下流场的分布。使用牛顿第二定律计算流场下粒子轨迹。本模型忽略粒子对流场的作用。但是由于本模型瞬态效果不可忽略，因此流场和粒子轨迹在同一个求解步内进行计算。





几何、控制方程及边界条件

粒子的运动遵从牛顿第二定律：

单个粒子轨迹可由下面的常微分方程给出：

激活装配特征，把两个求解域处理成为装配中的分离部分。然后指定转动区域。

旋转机械，层流





分析结果

下图显示了不同时刻的粒子混合情况，三个入口进入的粒子分别以不同的颜色标示，实现混合效果的可视化。





分析结果

粒子轨迹长度直方图。如果不使用旋转叶片，粒子的轨迹约为从入口到出口的距离（3mm-6mm），相比之下，动态混合的粒子轨迹被拉长了，这就延长了扩散混合的时间。增强了混合效果。



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