COMSOL在等離子體領(lǐng)域的應(yīng)用

COMSOL在等離子體領(lǐng)域的應(yīng)用中仿科技技術(shù)部鮑偉Feit

Bao內(nèi)容和安排1、COMSOLMultiphysics功能介紹2、COMSOL在等離子體領(lǐng)域的應(yīng)用3、COMSOL案例分析：介質(zhì)阻擋放電、直流放電什么是多物理場(chǎng)?在描述一個(gè)對(duì)象時(shí)涉及多種物理現(xiàn)象的組合這些現(xiàn)象都基于某種物理規(guī)律這種物理規(guī)律可以借助于偏微分方程得到精確描述有限元有限差分有限體積法…FSurfacechemistryReactionEngineeringElectromagneticsFluidmechanicsHeatTransferPhysicalkineticsCOMSOLMultiphysics

全球第一款真正的多物理場(chǎng)耦合分析軟件一個(gè)功能強(qiáng)大的平臺(tái)有限元仿真平臺(tái)類似于公式解釋器形式的圖形化操作界面填空式的操作方法任意耦合的多物理場(chǎng)分析平臺(tái)多物理場(chǎng)耦合多維度/尺度耦合與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行耦合突出的特點(diǎn)易用性可自由切換的多種語(yǔ)言操作界面簡(jiǎn)單鼠標(biāo)操作和填空，自動(dòng)耦合物理場(chǎng)開(kāi)放性對(duì)用戶透明，支持用戶建立自己的模型靈活性與MATLAB無(wú)縫連接，強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能COMSOLMultiphysics的主要特性主菜單主工具條設(shè)定繪圖窗口通過(guò)模型樹(shù)建模信息、求解過(guò)程和數(shù)字結(jié)果交互式建模和模擬環(huán)境大量的預(yù)置物理應(yīng)用模式自定義PDE應(yīng)用模式無(wú)窮的耦合能力無(wú)限的物理量耦合不同維度/尺度耦合與實(shí)驗(yàn)結(jié)果耦合完備地前處理器功能簡(jiǎn)單實(shí)用的幾何建模導(dǎo)入主流CAD文件格式強(qiáng)大的網(wǎng)格剖分功能多種功能強(qiáng)大的求解器強(qiáng)大的后處理能力特定的應(yīng)用模型和擴(kuò)展支持Matlab?和Simulink?的雙向調(diào)用模擬過(guò)程分析問(wèn)題，確定PDE方程及相關(guān)的參數(shù)選擇模型方程創(chuàng)建或?qū)霂缀文Ｐ驮O(shè)定材料屬性及PDE系數(shù)項(xiàng)設(shè)定邊界條件

生成網(wǎng)格

求解

(設(shè)定Solver參數(shù))后處理，結(jié)果可視化、動(dòng)畫(huà)、輸出其他處理過(guò)程腳本后處理或二次開(kāi)發(fā)等離子體模塊的物理界面漂移擴(kuò)散計(jì)算等離子體的電子密度和平均電子能量重物質(zhì)傳輸所有非電子物質(zhì)的質(zhì)量平衡界面，包括帶電、中性和被電子激發(fā)的物質(zhì)靜電計(jì)算等離子體中由電子和離子所帶空間電荷引起的靜電場(chǎng)Boltzmann方程，兩項(xiàng)近似允許用戶計(jì)算電子能量分布函數(shù)電路增加外電路至等離子體模型等離子體模塊的多物理場(chǎng)界面ICP反應(yīng)器（需要AC/DC模塊）研究由感應(yīng)電流維持放電的多物理場(chǎng)界面，感應(yīng)電流在頻域求解直流放電研究由靜電場(chǎng)維持放電的多物理場(chǎng)界面微波等離子體（需要RF模塊）研究由電磁波維持放電的多物理場(chǎng)界面CCP反應(yīng)器研究由時(shí)變電場(chǎng)維持放電的多物理場(chǎng)界面電子輸運(yùn)COMSOL求解兩個(gè)漂移擴(kuò)散方程，電子密度和電子能量密度輸運(yùn)屬性可能是張量，是平均電子能量和直流磁通密度的函數(shù)電子源Re和非彈性能量損耗Re由COMSOL根據(jù)用戶定義的等離子體化學(xué)自動(dòng)計(jì)算電子輸運(yùn)屬性張量等離子體模塊允許用戶使用張量描述電子遷移率、擴(kuò)散率、能量遷移率和能量擴(kuò)散率這使得案例Hall推力器能被模擬電子遷移率

v.s.磁通密度分量電子輸運(yùn)性質(zhì)的張量形式由COMSOL自動(dòng)計(jì)算電子輸運(yùn)邊界條件對(duì)于電子，存在一系列邊界條件：壁面，包括以下效應(yīng)：二次電子發(fā)射熱電子發(fā)射電子反射通量，允許用戶指定任意電子密度和電子能量密度的流入固定電子密度和平均電子能量（不推薦）絕緣電子密度電子能量二次發(fā)射通量由COMSOL根據(jù)定義的表面反應(yīng)自動(dòng)計(jì)算重物質(zhì)輸運(yùn)重物質(zhì)輸運(yùn)（非電子）由求解Maxwell-Stefan方程的修改形式確定其中：多物理場(chǎng)界面包含一個(gè)綜合反應(yīng)管理器來(lái)追蹤電子碰撞反應(yīng)、反應(yīng)、表面反應(yīng)和物質(zhì)每種物質(zhì)的速率表達(dá)式由COMSOL根據(jù)定義的等離子體化學(xué)自動(dòng)計(jì)算大宗氣體流動(dòng)輸運(yùn)中性氣體流動(dòng)由帶有修正熱源的可壓縮Navier-Stokes方程確定能量方程右邊最后一項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致高壓下大量分子氣體加熱密度、粘度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)和熱源都由COMSOL根據(jù)定義的等離子體化學(xué)和熱力學(xué)屬性自動(dòng)計(jì)算表面反應(yīng)表面反應(yīng)能根據(jù)粘性系數(shù)來(lái)指定等離子體模塊的第一個(gè)版本僅支持簡(jiǎn)單表面反應(yīng)以下方程給出表面速率常數(shù)和粘性系數(shù)：反應(yīng)器壁面上每種重物質(zhì)的通量由COMSOL根據(jù)定義的表面反應(yīng)自動(dòng)計(jì)算截面數(shù)據(jù)截面數(shù)據(jù)是進(jìn)行等離子體模擬所必須的數(shù)據(jù)截面數(shù)據(jù)使用戶能根據(jù)EEDF計(jì)算給定反應(yīng)的速率系數(shù)：氧氣分子的一系列碰撞截面數(shù)據(jù)圖每個(gè)電子碰撞反應(yīng)的速率系數(shù)由COMSOL根據(jù)所提供的截面數(shù)據(jù)自動(dòng)計(jì)算等離子體化學(xué)等離子體的行為很大程度上由等離子體化學(xué)確定氬是所有等離子體化學(xué)中最簡(jiǎn)單的，只有7個(gè)反應(yīng)和4種物質(zhì)：當(dāng)開(kāi)始一個(gè)新模型時(shí)總是先使用氬！理解EEDF電子能量分布很重要，能從Boltzmann方程的兩項(xiàng)近似中被假定或計(jì)算MaxwellianDruyvesteynGeneralized理解EEDFEEDF會(huì)對(duì)源系數(shù)的量級(jí)有重要影響電子輸運(yùn)屬性對(duì)EEDF的類型有較弱的依賴通常最好開(kāi)始于MaxwellianEEDF不同電子能量分布函數(shù)下氬的電離率系數(shù)圖靜電場(chǎng)等離子體電勢(shì)由Poisson方程計(jì)算得到空間電荷由電子和其他帶電物質(zhì)的數(shù)密度計(jì)算得到當(dāng)使用任何等離子體多物理場(chǎng)界面時(shí)，空間電荷密度由COMSOL自動(dòng)計(jì)算靜電邊界條件由于離子和電子的不同輸運(yùn)時(shí)間尺度，表面電荷會(huì)在介電表面累積：表面電荷在靜電物理界面中被用作邊界條件：當(dāng)表面電荷累積邊界條件時(shí)，表面電荷由COMSOL自動(dòng)計(jì)算靜磁場(chǎng)對(duì)于感應(yīng)放電，在頻域中求解磁矢勢(shì)：對(duì)于微波等離子體，在頻域中求解電場(chǎng)：如果靜磁場(chǎng)存在，等離子體電導(dǎo)率可能是全張量：等離子體電導(dǎo)率張量由COMSOL自動(dòng)計(jì)算由于電子密度增加，等離子體會(huì)趨向于屏蔽任何外電場(chǎng)三種基本屏蔽機(jī)理是：由于離子和電子的遷移率不同而產(chǎn)生的靜電屏蔽（在debye長(zhǎng)度上發(fā)生）由于表面電荷累積而產(chǎn)生的表面電荷屏蔽（在介電表面發(fā)生）感應(yīng)屏蔽限制功率沉積在等離子體集膚深度屏蔽屏蔽屏蔽靜電表面感應(yīng)ICPXX√直流放電√XX微波等離子體XXX擊穿√√XCCP√√X聯(lián)合ICP/CCP√√√電子回旋加速器諧振在電子回旋加速器諧振(ECR)中，等離子體電導(dǎo)率是直流磁通密度的高度非線性函數(shù)在諧振通量密度，電子不斷從磁場(chǎng)和電場(chǎng)中獲得能量等離子體電導(dǎo)率

v.s.磁通密度分量的指數(shù)圖等離子體電導(dǎo)率的極端非線性額外增加了問(wèn)題的復(fù)雜性案例：介質(zhì)阻擋放電兩個(gè)介電盤(pán)隔開(kāi)一個(gè)小間隙(0.1mm)正弦電壓施加在一個(gè)盤(pán)上，另一個(gè)接地等離子體周期性地在間隙中形成–間隙從絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體案例：介質(zhì)阻擋放電被激發(fā)的氬的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和電子密度的拉伸圖Y軸代表時(shí)間，x軸代表空間相對(duì)于被激發(fā)的氬，電子快速涌現(xiàn)至表面案例：介質(zhì)阻擋放電電場(chǎng)和平均電子能量的拉伸圖y軸代表時(shí)間，x軸代表空間電場(chǎng)由于表面電荷累積而被等離子體屏蔽直流放電本模型中，直流電壓被施加在兩個(gè)電極之間，壓強(qiáng)較低，本例為1torr案例：直流放電電子密度的表面圖和沿圓柱軸向長(zhǎng)度的剖面圖放電由來(lái)自陰極的二次電子的發(fā)散維持更多資源請(qǐng)關(guān)注中國(guó)視頻教程網(wǎng)：

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