Módulo de Escoamento Molecular

Software Para Modelar Escoamentos Gasosos à Baixa Pressão em Sistemas à Vácuo

Módulo de Escoamento Molecular

Em um implantador de íons, a densidade numérica média das moléculas que liberam gases ao longo da via de feixes é usada como fator de mérito para avaliar o projeto. Ela deve ser computada em função do ângulo de pastilha, com rotação em torno de um eixo.

Modelagem Precisa de Escoamentos Gasosos de Baixa Pressão e Baixa Velocidade

O Molecular Flow Module foi desenvolvido para oferecer recursos de simulação antes indisponíveis para a modelagem precisa de escoamentos gasosos de baixa pressão e baixa velocidade em geometrias complexas. Ele é ideal para a simulação de sistemas a vácuo, inclusive os usados no processamento de semicondutores, aceleradores de partículas e espectrômetros de massa. Aplicações em canais pequenos (por exemplo, exploração de gás de xisto e escoamento em materiais nanoporosos) também podem ser abordadas.

O Molecular Flow Module usa um método de coeficiente angular rápido para simular escoamentos moleculares livres em regime permanente. Pode-se modelar escoamentos moleculares isotérmicos e não isotérmicos e calcular automaticamente a contribuição para o fluxo de calor por parte das moléculas de gás. O método da velocidade discreta também é incluído no módulo para a simulação de fluxos transicionais.

Dois Métodos para Modelar Escoamentos Moleculares Livres e Escoamentos Transicionais

O Molecular Flow Module oferece duas alternativas a esses métodos, permitindo resolver escoamentos de baixa velocidade e baixa pressão de maneira controlável e precisa. Duas interfaces físicas específicas, configuradas para receber entradas de modelo pela interface gráfica do usuário (GUI) a fim de especificar totalmente um conjunto de equações, são disponibilizadas:


Escoamentos Moleculares Livres

A interface Free Molecular Flow usa o método do coeficiente angular para modelar escoamentos com número de Knudsen maior que dez. Essa interface física evita resolver a física no volume das geometrias modeladas e só requer a criação de malha das superfícies. O espalhamento totalmente difuso (acomodação total) e a emissão são pressupostos em todas as superfícies na geometria, e o escoamento é calculado integrando o fluxo de entrada a uma superfície a partir de todas as outras em sua linha de visada. Isso significa que as variáveis dependentes só existem nas superfícies da geometria, e o processo de solução é muito mais rápido que com o método DSMC. Além disso, ele não está sujeito a desvios estatísticos. As densidades numéricas são reconstruídas usando um método incluído na interface Free Molecular Flow.

Escoamentos Transicionais

A interface Transitional Flow resolve a equação BGK de Boltzmann empregando uma forma modificada do método de Lattice Boltzmann/da velocidade discreta para resolver escoamentos transicionais. Diferente do método DSMC, as soluções não estão sujeitas a ruído estatístico. A reflexão difusa de moléculas de gás também é considerada em todas as superfícies, com moléculas advindas de todas as direções efetivamente absorvidas na superfície e posteriormente re-emitidas de acordo com a lei de Knudsen. Nessa interface, a geometria dos modelos é criada para discretizar o espaço físico, e uma quadratura da velocidade é escolhida, a qual proporciona um conjunto de variáveis dependentes que representam uma malha na dimensão da velocidade. Tanto a malha quanto a quadratura podem ser ajustadas independentemente para garantir que o problema seja resolvido tanto no espaço físico quanto na dimensão da velocidade.

Imagens adicionais:

  • Probabilidade de transmissão através de um acoplador RF usando tanto o método do coeficiente angular, disponível na interface Free Molecular Flow, quanto o método de Monte Carlo, usando a interface Mathematical Particle Tracing (requer o Particle Tracing Module). Probabilidade de transmissão através de um acoplador RF usando tanto o método do coeficiente angular, disponível na interface Free Molecular Flow, quanto o método de Monte Carlo, usando a interface Mathematical Particle Tracing (requer o Particle Tracing Module).

Métodos Otimizados para Simulações Rápidas e Precisas

Gases à pressões baixas não podem ser modelados usando as ferramentas computacionais tradicionais para fluidodinâmica. Isso porque os efeitos cinéticos tornam-se importantes à medida que o caminho médio livre das moléculas gasosas torna-se comparável à escala de comprimento do escoamento. Os regimes de escoamento são categorizados quantitativamente pelo número de Knudsen (Kn), que representa a razão do caminho livre médio molecular para o tamanho da geometria de escoamento para gases:

Tipo de escoamento Número de Knudsen
Escoamento contínuo Kn<0.01
Slip flow 0.01<Kn<0.1
Escoamentos transicionais 0.1<Kn<10
Escoamento molecular livre Kn>10

Ao passo que o Microfluidics Module é usado para modelar escoamentos de deslizamento e contínuos, o Molecular Flow Module é projetado para simular, com precisão, escoamentos nos regimes de escoamento molecular livre e transicional. Historicamente, os escoamentos nesse regime são modelados pelo método da simulação direta de Monte Carlo (DSMC). Ele computa a trajetória de grande número de partículas randomizadas através do sistema, mas introduz ruído estatístico ao processo de modelagem. Para escoamentos de baixa velocidade, como os encontrados em sistemas a vácuo, o ruído introduzido pelo DSMC torna as simulações impraticáveis. O COMSOL usa abordagens alternativas: empregar o método da velocidade discreta para escoamentos transicionais (usando uma quadratura da velocidade de Lattice Boltzmann) e o método do coeficiente angular para escoamentos moleculares.

Ion Implanter Evaluator

Outgassing Pipes

Differential Pumping

Molecular Flow Through a Microcapillary

Rotating Plate in a Unidirectional Molecular Flow

Adsorption and Desorption of Water in a Load Lock Vacuum System

Molecular Flow Through an RF Coupler