Diverses fonctionnalités pour l'émission de particules

Une fonctionnalité d'émission de particules permet aux utilisateurs et utilisatrices d'assigner les positions et vitesses initiales des particules. Ces particules peuvent être émises à partir de domaines, frontières, arêtes ou points de la géométrie. Pour un contrôle plus précis des positions initiales des particules, les utilisateurs et utilisatrices peuvent également préciser un vecteur de coordonnées ou charger les positions et vitesses initiales à partir d'un fichier texte. Des fonctionnalités d'émission spécifiques permettent de lancer des faisceaux non laminaires d'ions ou d'électrons avec une émittance spécifiée, de modéliser l'émission thermoïonique d'électrons à partir d'une cathode chaude, ou encore de libérer un spray de gouttelettes liquides d'une buse.

Modélisation des collisions par la méthode de Monte Carlo

Au cours de leur propagation, les ions et électrons peuvent entrer en collision de façon aléatoire avec les molécules du gaz environnant. Des modèles de collision de Monte Carlo peuvent être implémentés, dans lesquels chaque particule a une probabilité d'entrer en collision avec des molécules du gaz environnant en fonction de la vitesse, de la densité du gaz, et des données de section efficace de collision. Les collisions peuvent être élastiques ou être des réactions d'ionisation ou d'échange de charges, auquel cas de nouveaux types de particules, comme des électrons secondaires, sont introduits dans le modèle.

Interactions particules–champ couplées

Les particules chargées s'attirent ou se repoussent naturellement selon si elles ont des charges de signe opposé ou identique. C'est la raison fondamentale pour laquelle un faisceau d'électrons tend à diverger, ou à s'étendre, lorsqu'il se propage.

La répulsion ou l'attraction entre les particules peuvent être modélisées de deux façons différentes. Pour un petit nombre de particules chargées, la force de Coulomb peut être définie directement. Pour une plus grande population de particules, il est possible de calculer la densité de charge spatiale volumétrique, pour l'utiliser en perturbation du potentiel électrique dans l'environnement des particules. L'alternance entre la résolution de la trajectoire des électrons et du potentiel électrique résultant est un exemple de couplage bidirectionnel auto-cohérent pour la modélisation de l'interaction particule–champ.

Suivi de particules dans des écoulements laminaires ou turbulents

Pour limiter les ressources de calcul utilisées lorsque l'on modélise des écoulements turbulents, une technique de simulation courante consite à résoudre les équations de Navier–Stokes selon la moyenne de Reynolds (RANS). Cela permet de prédire l'influence de la turbulence sur la vitesse du fluide de façon moyennée, en résolvant des variables de transport supplémentaires, plutôt que de calculer la vitesse exacte en chaque point du fluide et à chaque instant.

Lorsque l'on suit des particules dans un écoulement turbulent en utilisant un modèle RANS, on peut modéliser la force de traînée comme une combinaison de deux termes: une contribution de l'écoulement moyen et une contribution provenant des fluctuations de vitesse ou des tourbillons. Ces tourbillons peuvent être échantillonnés de façon aléatoire à partir d'une distribution basée sur l'énergie cinétique turbulente, grâce aux modèles prédéfinis de chemin aléatoire discret et de chemin aléatoire continu.

Formulation et résoution d'une équation du mouvement personnalisée

Il est possible d'implémenter des forces définies par l'utilisateur dans une formulation newtonienne de l'équation du mouvement des particules, de spécifier la vitesse des particules directement dans une formulation sans masse, ou encore d'entrer un Lagrangien ou Hamiltonien personnalisé.

Pour résoudre l'équation du mouvement des particules dans le temps, le logiciel COMSOL^® propose un large éventail de solveurs, incluant des solveurs implicites robustes qui peuvent résoudre des équations de mouvement très raides, ainsi que des méthodes rapides et précises de type Runge-Kutta. Selon la forme fonctionnelle de l'équation du mouvement, un schéma d'intégration temporel est appliqué par défaut, mais le choix du solveur est complètement transparent et peut être facilement modifié par l'utilisateur.

Domaines mobiles

Les trajectoires des particules peuvent être évaluées dans des domaines en mouvement ou se déformant au cours du temps. Les particules interagissent automatiquement avec les frontières mobiles en suivant les conditions aux limites spécifiées. Les mouvements classiques incluent la translation et la rotation du domaine complet ou de quelques frontières du domaine. Pour des rotations pures, les trajectoires des particules peuvent aussi être évaluées dans un référentiel non inertiel rattaché au domaine tournant. Cette méthode permet de réduire les coûts de calcul en s'affranchissant du calcul des déplacements du maillage.

Interactions particule-paroi personnalisables

Au fur et à mesure de leur déplacement dans le domaine de simulation, les particules détectent d'éventuelles collisions avec des surfaces dans la géométrie environnante. Quand une particule entre en collision avec une paroi, son comportement peut être contrôlé: les particules peuvent s'arrêter, disparaître, être réfléchies de façon diffuse ou spéculaire, ou encore repartir dans une direction précisée par l'utilisateur. Il est également possible de spécifier plusieurs types d'interaction à la paroi sur une même surface et préciser soit la probabilité pour chacune d'entre elles, soit la condition à satisfaire pour qu'un type d'interaction à la paroi se produise. Les collisions entre particules et parois peuvent également déclencher l'émission secondaire de particules par introduction de nouvelles particules dans la géométrie.

Définition de plusieurs espèces avec des propriétés différentes

Pour suivre des particules dans un fluide, il est nécessaire de préciser leur taille et leur densité afin d'appliquer correctement les forces de traînée et de gravité. Selon les forces supplémentaires prises en compte dans le modèle, d'autres propriétés peuvent être nécessaires, comme par exemple la permittivité relative, la conductivité thermique ou même la viscosité dynamique (lorsque ce sont des gouttelettes qui sont modélisées). Les propriétés matériau des particules peuvent être entrées directement, ou bien chargées à partir d'une vaste bibliothèque intégrée de propriétés matériaux.

Il est facile de modéliser différents types de particules dans la même géométrie en même temps. Il est possible de définir plusieurs espèces dans un seul modèle, chacune ayant ses propres propriétés matériaux. Si un même matériau est utilisé pour les particules mais qu'elles présentent des tailles différentes, la masse ou le diamètre des particules émises peuvent être échantillonnés à partir d'une distribution.

Modélisation auto-cohérente d'émission limitée de charge d'espace

La conception de canons à électrons nécessite une description précise de la vitesse des particules et du champ électrique au voisinage de la cathode ou de la source de plasma d'où les particules sont émises avec une énergie cinétique relativement basse. Des fonctionnalités prédéfinies sont disponibles pour modéliser l'émission limitée par la charge d'espace d'électrons depuis une cathode, ou bien traiter plus fidèlement l'émission thermoïonique lorsque l'effet de la distribution de température sur les vitesses des électrons émis a une influence significative sur la solution.

Suivi de particules relativistes

Lorsque les particules se déplacent à une vitesse proche de la vitesse de la lumière, il est nécessaire d'apporter des modifications à la mécanique classique de Newton pour décrire avec précision leur mouvement. Le module Particle Tracing comporte une option pour prendre en compte la relativité restreinte lorsque l'on suit des particules très rapides. Un faisceau de particules relativistes pouvant générer des champs électrique et magnétique autour de lui, le modèle auto-cohérent inclut à la fois des interactions particules–champ électrique et magnétique.

Visualisation et animation des trajectoires de particules

Les positions instantanées des particules peuvent être visualisées sous forme de points, flèches ou queues de comète, et leur trajectoire peut être affichée sous forme de lignes, tubes ou rubans. Il est possible d'utiliser n'importe quelle expression définie sur les particules ou dans l'espace qu'elles occupent pour colorer leurs trajectoires. Des outils additionnels sont disponibles pour l'exploitation des résultats, comme par exemple des sections de Poincaré pour montrer l'intersection des trajectoires de particules avec un plan, ou encore des portraits de phase pour visualiser l'évolution des particules dans l'espace des phases.

Différents graphiques peuvent facilement être combinés dans le même groupe de graphiques, puis la trajectoire des particules peut être animée. Les graphiques et animations peuvent être exportés vers un fichier, ou les résultats bruts peuvent être exportés pour une analyse ultérieure. Des opérateurs et variables prédéfinis présentent une vue d'ensemble pratique des statistiques sur les particules.

Large gamme de forces prédéfinies

De nombreuses forces peuvent agir sur les particules lorsqu'elles se déplacent dans un fluide ou dans un champ électromagnétique. N'importe quel nombre de forces peuvent être facilement ajoutées à partir des forces prédéfinies telles que la traînée, la portance, la gravité, les forces électriques, magnétiques, thermophorétiques, diélectrophorétiques et acoustophorétiques. Toute combinaison des forces prédéfinie peut être facilement ajoutée pour agir sur les particules. Si les forces souhaitées ne sont pas disponibles, des forces personnalisées peuvent être définies. En outre, ces forces peuvent être appliquées soit à toutes les particules, soit seulement à un sélection de particules.