COMSOL在等離子體領域的應用中仿科技技術部鮑偉Feit

Bao內容和安排1、COMSOLMultiphysics功能介紹2、COMSOL在等離子體領域的應用3、COMSOL案例分析：介質阻擋放電、直流放電什么是多物理場?在描述一個對象時涉及多種物理現(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耦合分析軟件一個功能強大的平臺有限元仿真平臺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分析平臺多物理場耦合多維度/尺度耦合與實驗結果進行耦合突出的特點易用性可自由切換的多種語言操作界面簡單鼠標操作和填空，自動耦合物理場開放性對用戶透明，支持用戶建立自己的模型靈活性與MATLAB無縫連接，強大的二次開發(fā)功能COMSOLMultiphysics的主要特性主菜單主工具條設定繪圖窗口通過模型樹建模信息、求解過程和數(shù)字結果交互式建模和模擬環(huán)境大量的預置物理應用模式自定義PDE應用模式無窮的耦合能力無限的物理量耦合不同維度/尺度耦合與實驗結果耦合完備地前處理器功能簡單實用的幾何建模導入主流CAD文件格式強大的網(wǎng)格剖分功能多種功能強大的求解器強大的后處理能力特定的應用模型和擴展支持Matlab?和Simulink?的雙向調用模擬過程分析問題，確定PDE方程及相關的參數(shù)選擇模型方程創(chuàng)建或導入幾何模型設定材料屬性及PDE系數(shù)項設定邊界條件

生成網(wǎng)格

求解

(設定Solver參數(shù))后處理，結果可視化、動畫、輸出其他處理過程腳本后處理或二次開發(fā)等離子體模塊的物理界面漂移擴散計算等離子體的電子密度和平均電子能量重物質傳輸所有非電子物質的質量平衡界面，包括帶電、中性和被電子激發(fā)的物質靜電計算等離子體中由電子和離子所帶空間電荷引起的靜電場Boltzmann方程，兩項近似允許用戶計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界面ICP反應器（需要AC/DC模塊）研究由感應電流維持放電的多物理場界面，感應電流在頻域求解直流放電研究由靜電場維持放電的多物理場界面微波等離子體（需要RF模塊）研究由電磁波維持放電的多物理場界面CCP反應器研究由時變電場維持放電的多物理場界面電子輸運COMSOL求解兩個漂移擴散方程，電子密度和電子能量密度輸運屬性可能是張量，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自動計算電子輸運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、擴散率、能量遷移率和能量擴散率這使得案例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性質的張量形式由COMSOL自動計算電子輸運邊界條件對于電子，存在一系列邊界條件：壁面，包括以下效應：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)定義的表面反應自動計算重物質輸運重物質輸運（非電子）由求解Maxwell-Stefan方程的修改形式確定其中：多物理場界面包含一個綜合反應管理器來追蹤電子碰撞反應、反應、表面反應和物質每種物質的速率表達式由COMSOL根據(jù)定義的等離子體化學自動計算大宗氣體流動輸運中性氣體流動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會導致高壓下大量分子氣體加熱密度、粘度、比熱容、導熱系數(shù)和熱源都由COMSOL根據(jù)定義的等離子體化學和熱力學屬性自動計算表面反應表面反應能根據(jù)粘性系數(shù)來指定等離子體模塊的第一個版本僅支持簡單表面反應以下方程給出表面速率常數(shù)和粘性系數(shù)：反應器壁面上每種重物質的通量由COMSOL根據(jù)定義的表面反應自動計算截面數(shù)據(jù)截面數(shù)據(jù)是進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計算給定反應的速率系數(shù)：氧氣分子的一系列碰撞截面數(shù)據(jù)圖每個電子碰撞反應的速率系數(shù)由COMSOL根據(jù)所提供的截面數(shù)據(jù)自動計算等離子體化學等離子體的行為很大程度上由等離子體化學確定氬是所有等離子體化學中最簡單的，只有7個反應和4種物質：當開始一個新模型時總是先使用氬！理解EEDF電子能量分布很重要，能從Boltzmann方程的兩項近似中被假定或計算MaxwellianDruyvesteynGeneralized理解EEDFEEDF會對源系數(shù)的量級有重要影響電子輸運屬性對EEDF的類型有較弱的依賴通常最好開始于MaxwellianEEDF不同電子能量分布函數(shù)下氬的電離率系數(shù)圖靜電場等離子體電勢由Poisson方程計算得到空間電荷由電子和其他帶電物質的數(shù)密度計算得到當使用任何等離子體多物理場界面時，空間電荷密度由COMSOL自動計算靜電邊界條件由于離子和電子的不同輸運時間尺度，表面電荷會在介電表面累積：表面電荷在靜電物理界面中被用作邊界條件：當表面電荷累積邊界條件時，表面電荷由COMSOL自動計算靜磁場對于感應放電，在頻域中求解磁矢勢：對于微波等離子體，在頻域中求解電場：如果靜磁場存在，等離子體電導率可能是全張量：等離子體電導率張量由COMSOL自動計算由于電子密度增加，等離子體會趨向于屏蔽任何外電場三種基本屏蔽機理是：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，電子不斷從磁場和電場中獲得能量等離子體電導率

v.s.磁通密度分量的指數(shù)圖等離子體電導率的極端非線性額外增加了問題的復雜性案例：介質阻擋放電兩個介電盤隔開一個小間隙(0.1mm)正弦電壓施加在一個盤上，另一個接地等離子體周期性地在間隙中形成–間隙從絕緣體轉變?yōu)閷w案例：介質阻擋放電被激發(fā)的氬的質量分數(shù)和電子密度的拉伸圖Y軸代表時間，x軸代表空間相對于被激發(fā)的氬，電子快速涌現(xiàn)至表面案例：介質阻擋放電電場和平均電子能量的拉伸圖y軸代表時間，x軸代表空間電場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電極之間，壓強較低，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度的剖面圖放電由來自陰極的二次電子的發(fā)散維持更多資源請關注中國視頻教程網(wǎng)：

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