Particle Tracing Module
Particle Tracing Module
Analyze the Behavior of Particles with the Particle Tracing Module
As partículas são injetadas a partir de um sistema de injetores em uma reator CVD (deposição química de vapor) em um ângulo cônico de 15 graus. Inicialmente, elas têm inércia suficiente para seguir sua trajetória original, mas, ao final, a força de arrasto se sobressai e as partículas começam a seguir o gás para fora da porta de exaustão.
Amplie as Funcionalidades do COMSOL com Rastreamento de Partículas
O Particle Tracing Module amplia a funcionalidade do COMSOL Multiphysics em calcular a trajetória das partículas em um fluido ou campo eletromagnético, incluindo interações partícula-partícula, fluido-partícula e partícula-campo. Pode-se combinar perfeitamente qualquer módulo de aplicação específica com o Particle Tracing Module para calcular os campos que governam o movimento das partículas. As partículas podem ter massa ou não. O movimento é regido pela formulação Newtoniana, Lagrangiana ou Hamiltoniana da mecânica clássica. Condições de contorno podem ser impostas às partículas nas paredes da geometria para permitir que as partículas congelem, grudem, ricocheteiem, desapareçam ou reflitam difusamente. Condições de parede definidas pelo usuário também podem ser especificadas, onde a velocidade das partículas pós-colisão é, tipicamente, uma função da velocidade das partículas que chegam e do vetor normal à parede. Partículas secundárias liberadas quando uma partícula se choca contra uma parede podem ser incluídas. O número de partículas secundárias e a distribuição de suas velocidades podem ser funções da velocidade das partículas primárias e da geometria de parede. As partículas também podem grudar na parede de acordo com uma expressão arbitrária ou uma probabilidade de adesão. Outras variáveis dependentes podem ser adicionadas ao modelo, o que permite calcular quantidades como massa, temperatura ou rotação das partículas.
As partículas podem ser liberadas sobre contornos e domínios uniformemente, de acordo com a malha, conforme definido por uma grade ou de acordo com uma expressão personalizada. Uma ampla gama de forças predefinidas está disponível para descrever especificamente como as partículas interagem com os campos. Pode-se, então, adicionar forças arbitrárias definindo uma expressão adequada. Também é possível modelar a interação bilateral entre as partículas e os campos (interação partícula-campo), bem como a interação de partículas entre si (interação partícula-partícula).
Animações
Os misturadores estáticos, também conhecidos como misturadores sem movimento ou em linha, são tubos que contêm pás estáticas que misturam os fluidos à medida que estes são bombeados através deles. Essa técnica de misturar é ótima para a misturar em escoamentos laminares visto que as perdas de pressão geradas nesse regime de escoamento são pequenas. O exemplo ilustra o estudo do escoamento em um misturador estático que contêm pás torcidas. O desempenho do misturador é avaliado através do cálculo das trajetórias das partículas suspensas ao longo do misturador. O modelo usa as interfaces Laminar Flow e Particle Tracing for Fluid Flow.
Esse modelo simula a mistura de partículas em um micromisturador rotativo. O misturador contém três entradas diferentes e uma saída. A interface Rotating Machinery é usada para modelar o escoamento, e a interface Particle Tracing for Fluid Flow calcula as trajetórias das partículas.
Partículas sólidas são carregadas por um fluido através de um tubo em cotovelo de 90°. A inércia das partículas e a dispersão turbulenta no escoamento fazem com que elas colidam nas paredes do tubo. Neste modelo, é calculada a taxa de desgaste erosivo do tubo.
Imagens adicionais:
Um microscópio eletrônico de varredura captura imagens de uma amostra varrendo um alvo com um feixe de elétrons de alta energia. As interações subsequentes dos elétrons produzem sinais como elétrons secundários e retrodispersos, que contêm informações acerca da topografia da superfície da amostra. Lentes eletromagnéticas são usadas para focar esse feixe de elétrons em um ponto de aproximadamente 10 nm na superfície de uma amostra. Esse modelo requer o Particle Tracing Module e o AC/DC Module.
O componente principal de um espectrômetro de massa quadripolar é o filtro de massa que é usado para filtrar íons com diferentes razões carga/massa. O filtro de massa quadripolar vem sendo bem estudado ao longo dos anos e tanto a física quanto o projeto ideal são bem entendidos. Em um espectrômetro de massa quadripolar real, existem campos periféricos tanto na entrada quanto na saída do filtro de massa. Esses campos periféricos podem exercer importante papel na determinação da probabilidade de transmissão de um íon específico através do filtro de massa. Esse modelo calcula as trajetórias iônicas em um espectrômetro de massa quadripolar, incluindo os efeitos dos campos periféricos.
Trajetórias dos prótons no campo magnético da Terra. Três tipos de movimento oscilatório podem ser observados em três escalas de tempo diferentes. Na menor escala de tempo, os prótons seguem caminhos helicoidais ao redor das linhas magnéticas da Terra. Na escala de tempo intermediária, esses caminhos helicoidais alternam entre os polos norte e sul magnéticos, conforme os prótons se aproximam de latitudes conhecidas como pontos de espelhamento, as quais são função do ângulo de inclinação equatorial. Na maior escala de tempo, essas trajetórias oscilantes possuem precessão ao redor da Terra do leste para o oeste, devido às assimetrias na força magnética.
Ferramentas de Processamento Poderosas
Ferramentas de processamento poderosas permitem uma sofisticada visualização da trajetória das partículas calculada. As trajetórias das partículas podem ser representadas por pontos, caudas de cometa, linhas ou tubos. Animações podem ser facilmente criadas e visualizadas diretamente na interface gráfica do usuário (GUI) ou exportadas para um arquivo. As trajetórias das partículas podem ser coloridas usando expressões arbitrárias que podem depender das partículas, dos campos ou de qualquer combinação dos dois. Nos casos onde as trajetórias de muitas partículas são simuladas, é possível filtrar a trajetória de partículas específicas de acordo com uma expressão lógica. O comportamento em grupo das partículas pode ser projetado em uma dimensão menor e visualizado usando mapas de Poincaré ou retratos de fase. Também é possível realizar operações sobre as partículas para calcular e plotar o valor máximo, mínimo, médio, ou total de alguma quantidade, considerando todas as partículas. Os dados de trajetória das partículas em si podem ser avaliados e escritos na tabela Resultados ou exportados para um arquivo. Pode-se visualizar convenientemente as distribuições de velocidade e energia das partículas usando histogramas 1D ou 2D.
Partículas Carregadas em Campos Elétricos e Magnéticos
Partículas carregadas, como elétrons, íons individuais ou pequenos aglomerados iônicos, são afetadas por três forças primárias em campos elétricos e magnéticos:
- A força elétrica, que resulta de um gradiente no potencial elétrico ou de um potencial vetorial magnético que varia com o tempo. As partículas com carga negativa movem-se no sentido oposto ao campo elétrico, e as partículas com carga positiva movem-se no mesmo sentido que o campo elétrico. A força elétrica executa trabalho sobre essas partículas.
- A força magnética não executa trabalho sobre as partículas carregadas, mas pode alterar significativamente a trajetória delas. As órbitas de partículas carregadas submetidas a força magnética frequentemente são em forma de "banana", elas orbitam em torno das linhas de campo magnético com uma distância proporcional à sua massa.
- Forças de colisão, que ocorrem quando partículas carregadas colidem contra um gás. Quanto maior a pressão do gás, mais relevantes são as forças de colisão.
Se a densidade numérica das espécies carregadas for menor que aproximadamente 1013 1/m3, o efeito das partículas sobre os campos pode ser negligenciado. Isso permite que você calcule os campos independentemente da trajetória das partículas. Os campos são então usados para computar as forças elétrica, magnética e de colisão sobre as partículas. O fato de que as trajetórias das partículas podem ser calculadas no seu próprio estudo permite que sejam usados solvers iterativos eficientes e que exigem poucos recursos computacionais.
Resolvendo o Rastreamento de Partículas
Para cada partícula, uma equação diferencial ordinária é resolvida para cada componente do vetor posição. Isso significa que três equações diferenciais ordinárias são resolvidas para cada partícula em 3D e duas em 2D. Em cada passo de tempo, as forças que atuam sobre cada partícula são obtidas a partir dos campos calculados na posição atual da partícula. Se as forças de interação partícula-partícula forem incluídas no modelo, elas são acrescidas à força total. A posição da partícula é então atualizada, e o processo se repete até chegar ao tempo final especificado para a simulação. Uma vez que o Particle Tracing Module usa uma fórmula bastante geral para calcular as trajetórias das partículas, as interfaces de Rastreamento de Partículas podem ser usadas para modelar o movimento de partículas carregadas em campos eletromagnéticos, movimentos planetários e galácticos de larga escala e o movimento de partículas em sistemas fluidos laminares, turbulentos e bifásicos.
Estudando o Rastreamento de Partículas em um Fluido
O movimento de partículas microscópicas e macroscópicas é tipicamente dominado pela força de arrasto que atua sobre as partículas submersas no fluido. Há duas fases no sistema: uma fase discreta, a qual consiste em bolhas, partículas ou gotículas e uma fase contínua, na qual as partículas são imersas. Para que a abordagem de rastreamento de partículas seja válida, o sistema deve ser um escoamento diluído ou disperso. Isso significa que a fração volumétrica da fase discreta deve ser muito menor que a da fase contínua (geralmente menor que 1%). Quando a fração volumétrica das partículas não é pequena, o sistema fluido é categorizado como um escoamento denso e será necessário adotar outra abordagem de modelagem. É importante entender que, com a abordagem de rastreamento de partículas, as partículas não deslocam o volume de fluido ocupado por elas.
Em um escoamento disperso, a fase contínua afeta o movimento das partículas, mas não o contrário. Isso é geralmente chamado de "acoplamento de uma via". Ao modelar um sistema assim, normalmente é mais eficiente resolver a fase contínua primeiro e, então, computar a trajetória das fases dispersas.
Em um escoamento diluído, a fase contínua afeta o movimento das partículas e o movimento das partículas, por sua vez, perturba a fase contínua. Normalmente isso é chamado de "acoplamento de duas vias". A fim de modelar esse efeito, deve-se calcular a fase contínua e a fase dispersa simultaneamente. Logo, a demanda computacional é significativamente maior para modelar escoamentos diluídos do que para modelar escoamentos dispersos.
Particle Tracing Module
Recursos do Produto
- Interface Charged Particle Tracing para modelar trajetórias de íons e eletros em campos eletricos e magnéticos incluindo colisões elásticas com um gás conhecido
- Particle Tracing para interface Fluid Flow para modelar o movimento de partículas microscópicas e macroscópicas em um fluido
- Interface Mathematical Particle Tracing, que oferece liberdade completa sobre as equações resolvidas
- formulações Massless, Newtonianas, Lagrangianas e Hamiltonianas
- Forças predefinidas para facilitar os set-ups nos modelos
- Elétrica
- Magnética
- Colisional
- Arraste
- Browniano
- Termoforese
- Gravidade
- Acustoforese
- Dieletroforese
- Magnetoforese
- Forças definidas pelo usuário
- Interações Campo-partícula
- Interações partícula-partícula
- Reinicialização do vetor velocidade da partícula baseado em algumas expressões lógicas que permite utilizar modelo de Monte Carlo como escopo geral
- Mecanismo de lançamento de partícula
- Modelo Baseado em Mesh onde um número específico de partículas são lançados em cada elemento da malha
- Distribuição uniforme de partículas em um dado contorno
- Expressão base que permite a densidade de partículas seja maior em uma determinada área
- Grid
- Postprocessing
- Gráficos de trajetória de partículas (linhas, tubos, pontos e cauda de cometa)
- Trajetórias em cores com expressões arbitrárias
- Filter particles to plot
- Animações
- Mapas e seção de Poincaré
- Retrato de fase
- Cálculo de máximo, mínimo, média e integrais sobre todas as partículas
- Escreve dados de partículas em tabelas
- Exporta dados de partículas
- Histogramas 1D e 2D
- Probabilidades de transmissão
Áreas de Aplicação
- Espectrometria de massa
- Beam physics
- Movimento Browniano
- Óptica de íons
- Espectrometria de mobilidade de íons
- Visualização de escoamento fluido
- Sprays
- Aerosol dynamics
- Misturador
- Emissão secundária
- Separação e filtração
- Visualização de função de distribuição energética de íons
- Acustoforeses
- Mecânica clássica
Modeling of Laminar Flow Static Mixers
Nagi Elabbasi, Xiaohu Liu, & Stuart Brown Veryst Engineering LLC, Needham, MA, USA Mike Vidal & Matthew Pappalardo Nordson EFD, East Providence, RI, USA
Veryst Engineering, a company that provides consulting in engineering design and product manufacturing, has collaborated with Nordson EFD, one of the leading manufacturers of precision dispensing systems, to optimize their static mixers. Static mixers are inexpensive and efficient mechanisms for mixing laminar viscous fluids, where molecular ...
A Smooth Optical Surface in Minutes
Anthony Beaucamp Zeeko Ltd Leicestershire, UK
Zeeko Ltd is a technology company that manufactures corrective polishing machines for optics and other surfaces. They are presently researching fluid jet polishing (FJP), which pumps a mixture of water and abrasive particles through a nozzle onto a work piece. Unfortunately, FJP tends to introduce waveforms on to the polished surfaces, which in ...
Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels
J. Martel and M. Toner Biomems Resource Center Massachusetts General Hospital USA N. Elabbasi, D. Quinn, and J. Bergstrom Veryst Engineering USA
In many medical procedures and tests, it is necessary to isolate cells of interest for further analysis. Microfluidics has revolutionized the way in which these tests are conducted enabling, for example, the ability to detect cancer from a blood sample. One of the most promising microfluidic techniques to separate and concentrate cells is called ...
Floating on Sound Waves with Acoustic Levitation
K. Suthar, C. Benmore Argonne, IL, USA
As part of an industry that saves lives on a regular basis, pharmaceutical companies are in need of systems that can be used to deliver high-quality medicines. One method utilizes sound waves generated by an acoustic levitator with foam-coated transducers. Using the acoustic force from the sound waves, chemical particles are suspended between the ...
Optimizing Hematology Analysis: When Physical Prototypes Fail, Simulation Provides the Answers
D. Isèbe HORIBA Medical, France
Hematology analysis, the analysis of a blood sample to determine a variety of hematological parameters, is a major factor in diagnostic and treatment decisions for blood diseases. Accurate blood analysis requires counting and sorting different cells in a sample to measure their sizes and distributions. HORIBA Medical, a company that supplies ...
Red Blood Cell Separation
Dielectrophoresis (DEP) occurs when a force is exerted on a dielectric particle as it is subjected to a nonuniform electric field. DEP has many applications in the field of biomedical devices used for biosensors, diagnostics, particle manipulation and filtration (sorting), particle assembly, and more. The DEP force is sensitive to the size, ...
Ion Cyclotron Motion
This model computes the trajectory of an ion in a uniform magnetic field using the Newtonian, Lagrangian and Hamiltonian formulations available in the Mathematical Particle Tracing interface.
Einzel Lens
An Einzel lens is an electrostatic device used for focusing charged particle beams. It may be found in cathode ray tubes, ion beam and electron beam experiments, and ion propulsion systems. This particular model consists of three axially aligned cylinders. The outer cylinders are grounded, while the cylinder in the middle is held at a fixed ...
Particle Trajectories in a Laminar Static Mixer
In static mixers, also called motionless or in-line mixers, a fluid is pumped through a pipe containing stationary blades. This mixing technique is particularly well suited for laminar flow mixing because it generates only small pressure losses in this flow regime. This example studies the flow in a twisted-blade static mixer. It evaluates the ...
Brownian Motion
Transport which is purely diffusive in nature can be modeled using a Brownian force. This model shows how to add such a force in the Particle Tracing for Fluid Flow physics interface. Particle diffusion in a fluid is modeled with the diffusion equation and the Particle Tracing for Fluid flow interfaces and the results are compared.
Ideal Cloak
This model demonstrates the use of optical tracing for studying optically large gradient-index structures with anisotropic optical properties. Additionally, the model introduces a smoothing technique for handling discontinuities of refractive index on curved surfaces, which are typical in conventional optical devices such as lenses.
Rotating Galaxy
This tutorial model shows how to add customized particle-particle interaction forces. In this example the gravitational force between 2500 stars in a galaxy is modeled. The galaxy initially rotates as a rigid body, then begins to change shape due to gravitational forces.
Molecular Flow Through an RF Coupler
This model computes the transmission probability through an RF coupler using both the angular coefficient method available in the Free Molecular Flow interface and a Monte Carlo method using the Mathematical Particle Tracing interface. The computed transmission probability determined by the two methods is in excellent agreement with less than a ...
Electron Beam Diverging Due to Self Potential
When modeling the propagation of charged particle beams at high currents, the space charge force generated by the beam significantly affects the trajectories of the charged particles. Perturbations to these trajectories, in turn, affect the space charge distribution. The Charged Particle Tracing interface can use an iterative procedure to ...
Laminar Static Particle Mixer Designer
In static mixers, a fluid is pumped through a pipe containing stationary mixing blades. This mixing technique is well suited for laminar flow mixing, because it generates only small pressure losses in this flow regime. When a fluid is pumped through the channel, the alternating directions of the cross-sectional blades mix the fluid as it passes ...
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