分子流模块

简介分子流模块联系信息请访问“联系COMSOL”页面cn.comsol.com/contact，以提交一般查询、联系技术支持或搜索我们的联系地址及号码。您还可以访问全球销售办事处页面cn.comsol.com/contact/offices，以获取地址和联系信息。如需联系技术支持，可访问COMSOLAccess页面并填写在线申请表，位于：cn.comsol.com/support/case页面。其他有用的链接还包括：•技术支持中心：cn.comsol.com/support•产品下载：cn.comsol.com/product-download•产品更新：cn.comsol.com/support/updates•COMSOL博客：cn.comsol.com/blogs•用户论坛：cn.comsol.com/community•活动：cn.comsol.com/events•COMSOL视频中心：cn.comsol.com/video•技术支持知识库：cn.comsol.com/support/knowledgebase文档编号：CM024402分子流模块简介©1998–2018COMSOL版权所有受列于cn.comsol.com/patents的美国专利7,519,518、7,596,474、7,623,991、8,457,932、8,954,302、9,098,106、9,146,652及9,323,503、9,372,673及9,454,625的保护。专利申请中。本文档和本文所述的程序根据COMSOL软件许可协议(cn.comsol.com/comsol-license-agreement)提供，且仅能按照许可协议的条款进行使用和复制。COMSOL、COMSOL徽标、COMSOLMultiphysics、COMSOLDesktop、COMSOLServer和LiveLink为COMSOLAB公司的注册商标或商标。所有其他商标均为其各自所有者的财产，COMSOLAB公司及其子公司和产品不与上述商标所有者相关联，亦不由其担保、赞助或支持。相关商标所有者的列表请参见cn.comsol.com/trademarks。版本:COMSOL5.4|3目录分子流模块..................................5分子流模块应用...............................8分子流模块物理场接口指南.....................11根据空间维度和研究类型排列的物理场接口...........14教学示例：离子注入真空系统中的分子流..........154||5分子流模块真空设计工程师和研究人员可以使用分子流模块来设计真空系统，理解并预测低压气体的流动。在设计流程中仿真工具的使用变得越来越普遍，因为这些工具可以提高工程师对研究过程的认识，减少研发成本，加快研发进度。真空系统开发过程中构建产品原型通常成本非常高昂，因此在研发过程中使用仿真方法可以显著地节省成本。真空系统的气体流动需要使用与传统流体流动问题不同的物理方程来描述。在低压环境下，气体分子的平均自由程与系统的尺度相当，气体的稀薄效应变得很重要。通常情况下，稀薄度可以通过克努森数来描述，Kn=λ/l，其中λ是气体分子的平均自由程，l是系统的特征尺度。随着数密度（或压力）减小或系统尺寸减小，克努森数逐渐增大。对于不同的克努森数，需要使用不同的流体模型，如图1所示。连续流动过渡流分子流滑移流图1:稀薄气体流动的主要分类。根据克努森数，划分了几种不同的流型。以一个大气压和0℃环境下的理想气体的数密度(n0)作为基准，对气体的数密度做了归一化处理。6|对于连续介质流动(Kn0.01)，使用纳维-斯托克斯方程和传统的计算流体力学方法来进行模拟。随着克努森数的增加，当达到0.01Kn0.1时，属于滑移流。这时仍然可以使用纳维-斯托克斯方程，但是必须在壁面处使用滑动边界条件来模拟克努森层，即，流体几何附近存在一个稀薄气体的薄层。当克努森数继续增大，达到0.1Kn10，则属于过渡流。此时大部分流体区域（或者是所有区域）都属于克努森层，必须使用稀薄气体动力学方法来求解。最后，对于大克努森数，Kn10，出现分子流。在分子流中，气体分子只与流体域的表面相互作用，分子之间没有散射现象。分子流模块包含的预定义物理场接口可以用来模拟动力学气体流动，其中可以选用自由分子流和过渡流接口。自由分子流接口可以用来模拟复杂系统中的非等温自由分子流。本接口计算模型边界上的分子通量，也可以计算模型表面上的压力、数密度和热通量，以及流体域内部任何位置的数密度，模拟稳态或准稳态热分子流动。这里的流体必须是可以用准稳态来描述，因为模型中假设气体分子能够在很短的瞬间内运动于表面之间。由于分子速度和系统尺寸的原因，模型中涉及到的时间常数一般比传递时间长得多，所以模型中可以考虑二次瞬态效应，例如表面吸附分子的解吸有限时间常数。由于在流体域中的气体分子之间没有相互作用，同时求解多种不同种类的物质对求解的复杂程度没有显著影响。因此，我们可以直接同时求解多种不同种类物质的模型。当分子发生吸附或者解吸效应时，或者不同物质在表面发生相互作用时（例如，它们有共同的吸附点时，可设置两种气体分子的浓度表达式），这些情况下模拟多种物质是有必要的。过渡流接口可以对克努森数为一个范围内的等温分子流或过渡流进行建模。本接口利用离散速度方法来计算求解域中气体分子的动力学流动。此外，还考虑了分子之间的散射（可以禁用这项功能），可以模拟稳态和瞬态流动。无论选用什么接口，都需要通过在COMSOLDesktop中定义合适的边界条件和初始值来建立模型。COMSOL建模的重点在于物理场，其中会显示需要求解的方程，高级用户还可以进一步修改底层方程。通过COMSOL软件还可以灵活地为系统添加自定义方程和表达式，并且可以耦合不同类型的物理场。例如，使用自由分子流接口，您可以模拟真空腔室壁面处的热流和分子流的耦合，这只需在壁温度设置中输入温度变量的名称（由传热系统计算）即可。COMSOL在集合产生的方程组时会自动进行耦合，之后软件使用灵活而强大的求解器来求解这些方程。得到结果之后，用户可以使用一系列后处理工具来解释数据，同时软件会自动生成一些预定义的绘图。COMSOL是非常灵活的工具，可以计算大量的物理量，其中预定义的物理量包括压力、数密度、分子|7通量和漂移速度（可在易用的菜单中直接选择）。此外，还可以计算任意的自定义表达式。一般来说，真空系统建模的第一步是定义几何结构。可以直接通过CAD文件导入几何模型，或者通过LiveLink模块动态地链接到第三方软件的CAD几何模型。或者，也可以在COMSOL中从头开始创建参数化的几何模型。然后，选择合适的物理场，添加材料属性。在物理场接口中定义初始值和边界条件，然后剖分网格。在许多情况下，COMSOL根据物理场设置的默认网格非常易于求解计算。之后，选择求解器并进行计算（通常情况下软件根据物理场配置合适的默认求解器）。最后，在图形窗口中可视化结果，您可以尝试使用不同的工具来绘图、生成动画和报告，说明和描述模型。所有的这些操作均可以从COMSOLDesktop中执行。8|分子流模块应用分子流模块适用于真空科学技术领域中的广泛研究。分子流接口包含了大量的边界条件，可以进行广泛的仿真研究。例如，可以选择壁边界中的吸附/解吸选项来模拟气体传递，其中分子在壁上还具有显著的停留时间。一般来说，此类效果决定了真空系统的抽气时间，因此可以定量地预测几何结构变化和烘烤方法对抽气的影响。下图显示的是通过负载保护充入水之后真空系统不同部分的压力变化。此外，还绘制了系统表面某一点处水分子的浓度随时间的变化。图2:左上：主腔室开启负载保护之后真空系统中不同位置的压强变化。在模拟刚开始的阶段，负载保护腔室表面的水分子浓度很高，之后主腔室中的泵将水缓慢地移除，水分子浓度随之降低，压力也随之降低。右下：在某个特定的时间点，系统表面水分子浓度（分子/m2）的分布。负载保护腔室（左）中的水分子浓度比主腔室（右）中的高，在泵的旁边（最右边）水分子的浓度更低。|9分子流接口也包含模拟热蒸发和沉积的功能。下图所示为蒸发器系统内表面上的金属分子通量（左），以及在硅片表面生成的薄膜厚度（右）。图3:左：腔室底部蒸发源产生的分子通量。右：蒸发60s后腔室中样品表面上沉积薄膜的厚度。分子流接口的用法也极其灵活。可以在同一模型中通过增加额外独立变量来模拟多种物质的传递，并且还能设置不同物质在流体表面上的相互作用。软件可以直接耦合多个分子流接口（例如模拟多种气体）或者与传热接口耦合。软件内置了强大的基于自定义方程的建模功能，例如，将分子流模型与经验公式耦合直接模拟管中的过渡流。图4所示的差动泵浦模型就是使用这种方法进行计算，图中所示为高真空端的数密度分布。10|图4:左上：压差泵系统高真空端的数密度分布（给定了低真空端入口对面突起处的平均数密度）。右下：低真空端压力为10-4Torr时高真空腔室中的数密度。低真空端的入口在左边，泵在腔室的底部。本模型使用经验表达式描述了连接低真空腔室和高真空腔室的管中的过渡流。|11分子流模块物理场接口指南物理场接口用于构建仿真问题。每个物理场接口都是通过物理方程与适当的边界条件和初始条件来描述相关的物理现象。在接口中添加的每一个特征都表示在底层方程组中添加的项或者条件。这些特征通常都与模型中的某个几何实体相关联，例如域、边界、边（三维组件）或者点。图5的离子注入器模型（请参见教学示例：离子注入真空系统中的分子流）展示了模型开发器和选中的真空泵1节点的设置窗口。这个节点表示从分子流带走的入射分子的分数，使其与泵的速度相当，它的单位是升每秒。请注意，默认情况下COMSOL使用SI单位，但是也可以使用其他单位来描述物理量。单位是在方括号中输入（本案例中，在数值物理量之后添加[l/s]，就表示定义它的单位是升每秒）。模型树中还突出显示了两个不同的壁边界条件，在这些边界条件中使用了不同的选项来定义与流体的多种相互作用。壁1节点使用壁选项来设置入射分子通量G，其大小与发射分子通量J相同。壁2节点中选择了排气壁选项，其中包含了发射排气分子通量J0，以及入射通量G。其中J0可以定义为通量（SI单位：1/(m2s)）、质量通量（SI单位：kg/(m2s)）、总质量流（SI单位：kg/s）或sccm单位的质量流。设置窗口中高亮的节点边界条件边界条件设置结果显示和可视化设置12|图5:模型开发器（左）及其真空泵1节点的设置窗口。设置窗口中的方程栏显示的是模型方程，通过该节点添加的方程项使用下划点线强调标明。开始建立一个新模型时，要从模型开发器中选择适当的物理场接口，图6所示为模型开发器中的分子流模块的物理场接口。另请参见根据空间维度和研究类|13型排列的物理场接口。在以下部分，将简要概述分子流模块的每个物理场接口的功能。图6:模型开发器中的分子流模块的物理场接口（三维模型）。稀薄气体流动自由分子流和过渡流接口用于模拟稀薄气体流动，其中气体分子的动力学行为非常重要。对于克努森数较大（Kn10）的流体可以使用自由分子流接口()，这个接口使用了一种称为角系数法的算法来模拟非等温或等温分子流。在这种方法中，根据从所有其他可见点发射来的排出通量的总和，来计算表面区域单元的入射分子通量。这种算法也被称之为辐射法，因为这种算法是由之前计算表面到表面辐射的软件专门为此目的改编而来。请注意，自由分子流接口与标准辐射法不同，因为它能够执行进一步的积分运算，进而得到精确的压力和数密度。这个接口用起来更加方便，因为它是特别为真空环境应用而设计。角系数法的限制是必须假定在表面上分子二次发射的方向与其入射角度无关，这个限制通常被称为总累积量，自由分子流接口隐含此项假设。过渡流接口()可以模拟跨越很大克努森数范围的流体。这个接口的使用存在一些限制，这是因为过渡区域的流体难以定义边界条件。接口中包含的边界条件均满足纳维-斯托克斯