Particle Tracing Module

Pour Etudier l'Interaction entre Particules et Champs

Particle Tracing Module

Des particules sont injectées à partir d'un ensemble de buses d'injection, avec un cône d'angle de 15 degrés, dans une chambre de dépôt chimique en phase vapeur. Au départ, les particules ont suffisamment d'inertie pour suivre leur trajectoire d'origine, mais la force de trainée finit par les obliger à suivre l'écoulement du gaz qui sort de l'orifice d'échappement.

Etendez les Fonctionnalités de l'Environnement COMSOL à l'aide du Suivi de Particules

Le Particle Tracing Module étend les fonctionnalités de l'environnement COMSOL pour permettre de calculer les trajectoires des particules dans un liquide ou un champ électromagnétique, notamment dans le cadre d'interactions particule-particule et particule-champ. Pour calculer les champs induisant le mouvement de particules, vous pouvez intégrer au Particle Tracing Module un modèle propre à une application, et ce, en toute transparence. Les particules peuvent ou non avoir une masse. Leur mouvement est régi par les lois de Lagrange, Newton et Hamilton tirées de la mécanique classique. Des conditions aux limites peuvent être appliquées aux particules sur les parois de la géométrie afin de laisser les particules s'immobiliser, adhérer, rebondir, disparaître et se réfléchir de manière diffuse. L'utilisateur peut également définir des conditions aux parois où la vitesse des particules après une collision est typiquement une fonction de la vitesse des particules incidentes et du vecteur normal aux parois. Des particules secondaires, libérées lorsque les particules incidentes heurtent une paroi, peuvent être définies. Le nombre de particules secondaires et leur fonction de distribution de la vitesse peuvent être des fonctions de la vitesse des particules primaires et de la géométrie des parois. Les particules peuvent aussi adhérer à une paroi selon une expression arbitraire ou une probabilité de collision. Il est également possible d'ajouter d'autres variables au modèle pour calculer des quantités, telles que la masse, la température ou la rotation des particules.

Les particules peuvent être uniformément libérées sur les frontières et les domaines selon le maillage sous-jacent, une grille ou une expression arbitraire. Diverses forces prédéfinies sont disponibles pour décrire précisément comment les particules interagissent avec les champs. Vous pouvez ajouter des forces arbitraires en les définissant à l'aide d'une expression adéquate. Vous pouvez également modéliser l'interaction entre les particules et les champs (interaction particule-champ) et l'interaction entre les particules (interaction particule-particule).

Animations

  • Les mélangeurs statiques, également appelés « sans mouvement » « ou en ligne », sont des tubes dotés de pales fixes qui mélangent les liquides pendant qu'ils sont pompés. Ce type de technique est idéal pour le mélange en écoulement laminaire puisque les pertes de charge générées par le régime d'écoulement sont négligeables. L'exemple donné ici présente l'écoulement dans un mélangeur statique muni de pales hélicoïdales. Les résultats du mélange sont évalués en calculant la trajectoire des particules en suspension dans le mélangeur. Le modèle utilise les interfaces Ecoulement Laminaire et Suivi de Particules pour Ecoulement Fluide. Les mélangeurs statiques, également appelés « sans mouvement » « ou en ligne », sont des tubes dotés de pales fixes qui mélangent les liquides pendant qu'ils sont pompés. Ce type de technique est idéal pour le mélange en écoulement laminaire puisque les pertes de charge générées par le régime d'écoulement sont négligeables. L'exemple donné ici présente l'écoulement dans un mélangeur statique muni de pales hélicoïdales. Les résultats du mélange sont évalués en calculant la trajectoire des particules en suspension dans le mélangeur. Le modèle utilise les interfaces Ecoulement Laminaire et Suivi de Particules pour Ecoulement Fluide.
  • Ce modèle simule le mélange de particules dans un micro-mélangeur rotatif. Le mélangeur contient trois entrées distinctes et une sortie. L'interface Machine Tournante permet de modéliser l'écoulement du liquide, et l'interface Suivi de Particules en Ecoulement calcule les trajectoires des particules. Ce modèle simule le mélange de particules dans un micro-mélangeur rotatif. Le mélangeur contient trois entrées distinctes et une sortie. L'interface Machine Tournante permet de modéliser l'écoulement du liquide, et l'interface Suivi de Particules en Ecoulement calcule les trajectoires des particules.
  • Ce modèle simule la génération exponentielle des électrons dans un photomultiplicateur. Ce modèle simule la génération exponentielle des électrons dans un photomultiplicateur.

Images Supplémentaires

  • Un microscope électronique à balayage échantillonne les images en balayant une cible à l'aide d'un faisceau d'électrons à haute énergie. Les interactions liées aux électrons produisent des électrons secondaires et rétrodiffusés, contenant des informations sur la topographie de la surface échantillonnée. Des lentilles électromagnétiques permettent une mise au point du faisceau d'électrons sur une zone d'environ 10 nm de largeur sur la surface échantillonnée. Ce modèle nécessite le Particle Tracing Module et le AC/DC Module. Un microscope électronique à balayage échantillonne les images en balayant une cible à l'aide d'un faisceau d'électrons à haute énergie. Les interactions liées aux électrons produisent des électrons secondaires et rétrodiffusés, contenant des informations sur la topographie de la surface échantillonnée. Des lentilles électromagnétiques permettent une mise au point du faisceau d'électrons sur une zone d'environ 10 nm de largeur sur la surface échantillonnée. Ce modèle nécessite le Particle Tracing Module et le AC/DC Module.
  • Le principal élément constitutif d'un spectromètre de masse quadripolaire est le filtre de masse utilisé pour filtrer les ions ayant différents rapports charge/masse. Le filtre de masse quadripolaire ayant fait l'objet de plusieurs années d'étude, sa conception et son optimisation sont parfaitement maitrisés. Dans un spectromètre de masse quadripolaire, des champs de frange sont présents à l'entrée et à la sortie du filtre de masse. Ces champs de frange peuvent jouer un rôle important dans la détermination de la probabilité de transmission d'un ion particulier à travers le filtre de masse. Ce modèle calcule les trajectoires des ions dans un spectromètre de masse quadripolaire en tenant compte des effets des champs de frange. Le principal élément constitutif d'un spectromètre de masse quadripolaire est le filtre de masse utilisé pour filtrer les ions ayant différents rapports charge/masse. Le filtre de masse quadripolaire ayant fait l'objet de plusieurs années d'étude, sa conception et son optimisation sont parfaitement maitrisés. Dans un spectromètre de masse quadripolaire, des champs de frange sont présents à l'entrée et à la sortie du filtre de masse. Ces champs de frange peuvent jouer un rôle important dans la détermination de la probabilité de transmission d'un ion particulier à travers le filtre de masse. Ce modèle calcule les trajectoires des ions dans un spectromètre de masse quadripolaire en tenant compte des effets des champs de frange.

De puissants Outils de Traitement

De puissants outils de traitement permettent une visualisation très précise des trajectoires calculées des particules. Celles-ci sont représentées par des points, des queues de comète, des lignes ou des tubes. Vous pouvez facilement créer et visualiser des animations directement dans l'interface graphique ou les exporter dans des fichiers. Colorez les trajectoires des particules à l'aide d'expressions arbitraires dont les variables peuvent être les particules, les champs ou une combinaison des deux. Si les trajectoires de nombreuses particules sont simulées, il est possible de les filtrer en définissant une expression logique. Le comportement de groupes des particules peut être projeté sur une dimension plus petite et visualisé à l'aide de cartes de Poincaré ou de portraits de phase. De plus, vous pouvez appliquer des opérations aux particules pour calculer et tracer les valeurs maximales, minimales, moyennes ou entières de certaines quantités sur toutes les particules. Les données de trajectoire des particules sont évaluées et enregistrées dans un tableau de résultats ou exportées dans un fichier. Vous pouvez visualiser facilement les distributions de vitesse et d'énergie des particules à l'aide d'histogrammes 1D ou 2D.

Particules Chargées dans les Champs Electriques et Magnétiques

Les particules chargées telles que les électrons, les ions seuls ou de petits groupes d'ions subissent trois principales forces en présence des champs électriques et magnétiques :

  • Force électrique produite en raison d'un gradient du potentiel électrique ou d'un potentiel magnétique vectoriel variable dans le temps. Les particules chargées négativement se déplacent dans un sens opposé au champ électrique, celles chargées positivement se déplacent dans le sens du champ électrique.
  • Force magnétique qui ne ne produit pas de travail sur les particules chargées, mais peut largement altérer leur trajectoire. La force magnétique entraine souvent des orbites « en banane » pour les particules chargées. Elle les oblige à orbiter autour des lignes du champ magnétique à une distance proportionnelle à leur masse.
  • Forces de collision qui s'exercent lorsque les particules chargées entrent en collision avec un gaz présent. Plus la pression de ce gaz est élevée, plus les forces de collision sont grandes.

Si la densité en nombre des espèces chargées est inférieure à environ 1013 1/m3, l'effet des particules sur les champs est négligeable. Cela permet de calculer les champs indépendamment des trajectoires des particules. Les champs sont ensuite utilisés pour calculer les forces électriques, magnétiques et de collision appliquées aux particules. Le fait que les trajectoires des particules puissent être calculées dansune étude spécifique permet d'utiliser des solveurs itératifs efficaces et économiques sur le plan des calculs.

Résolution du Suivi de Particules

Pour chaque particule, une équation différentielle ordinaire est résolue pour chaque composante du vecteur de position. En d'autres termes, trois équations différentielles ordinaires sont résolues pour chaque particule en 3D et deux en 2D. A chaque pas de temps, les forces s'exerçant sur chacune des particules sont obtenues à partir des champs calculés sur la position actuelle des particules. Si les forces d'interaction particule-particule sont définies dans le modèle, elles sont ajoutées à la force totale. La position des particules est ensuite mise à jour. Le processus se répète jusqu'au temps final prédéfini de la simulation. Comme le Particle Tracing Module repose sur une formulation très générale pour le calcul des trajectoires de particules, vous pouvez utiliser les interfaces Particle Tracing pour modéliser le mouvement de particules chargées dans des champs électromagnétiques, le mouvement planétaire et galactique à très grande échelle et le mouvement de particules dans des écoulements monophasiques et diphasiques, en régime laminaire et turbulent.

Etude du Suivi de Particules dans un Liquide

Le mouvement de particules microscopiques et macroscopiques est en principe soumis à la force de trainée s'exerçant sur les particules immergées dans un liquide. La suspension se décompose en deux phases : une phase dispersée de bulles, particules ou gouttelettes et une phase continue dans laquelle les particules sont immergées. Pour que la méthode de suivi de particules soit valide, la suspension doit être diluée ou dispersée. Autrement dit, la fraction volumique de la phase dispersée doit être de loin inférieure à celle de la phase continue (en principe inférieure à 1 %). Si la fraction volumique des particules est supérieure, la suspension est dite dense. Vous devez alors changer de méthode de modélisation. Il est impératif de savoir qu'avec la méthode de suivi de particules, ces dernières ne déplacent pas le liquide dans lequel elles sont présentes.

Dans une suspension très diluée, la phase continue altère le mouvement des particules, mais la réciproque n'est pas vraie. C'est ce que l'on appelle communément le « couplage unilatéral ». Lorsque vous modélisez ce type de suspension, il est plus judicieux de résoudre d'abord la phase continue, puis de calculer les trajectoires des phases dispersées.

Dans une suspension diluée, la phase continue altère le mouvement des particules et vice-versa. C'est ce que l'on appelle communément le « couplage bilatéral ». Pour modéliser ce type de suspension, vous devez calculer la phase continue et la phase dispersée simultanément. En conclusion, les besoins en calculs sont plus importants lorsque vous modélisez des écoulements dilués.

A Smooth Optical Surface in Minutes

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

Red Blood Cell Separation

Particle Trajectories in a Laminar Static Mixer

Brownian Motion

Ion Cyclotron Motion

Rotating Galaxy

Ideal Cloak