Módulo de Rastreamento de Partículas

Software Para Estudar a Interação Entre Partículas e Campos

Módulo de Rastreamento de Partículas

As partículas são injetadas a partir de um sistema de injetores em uma reator CVD (deposição química de vapor) em um ângulo cônico de 15 graus. Inicialmente, elas têm inércia suficiente para seguir sua trajetória original, mas, ao final, a força de arrasto se sobressai e as partículas começam a seguir o gás para fora da porta de exaustão.

Amplie as Funcionalidades do COMSOL com Rastreamento de Partículas

O Particle Tracing Module amplia a funcionalidade do COMSOL Multiphysics em calcular a trajetória das partículas em um fluido ou campo eletromagnético, incluindo interações partícula-partícula, fluido-partícula e partícula-campo. Pode-se combinar perfeitamente qualquer módulo de aplicação específica com o Particle Tracing Module para calcular os campos que governam o movimento das partículas. As partículas podem ter massa ou não. O movimento é regido pela formulação Newtoniana, Lagrangiana ou Hamiltoniana da mecânica clássica. Condições de contorno podem ser impostas às partículas nas paredes da geometria para permitir que as partículas congelem, grudem, ricocheteiem, desapareçam ou reflitam difusamente. Condições de parede definidas pelo usuário também podem ser especificadas, onde a velocidade das partículas pós-colisão é, tipicamente, uma função da velocidade das partículas que chegam e do vetor normal à parede. Partículas secundárias liberadas quando uma partícula se choca contra uma parede podem ser incluídas. O número de partículas secundárias e a distribuição de suas velocidades podem ser funções da velocidade das partículas primárias e da geometria de parede. As partículas também podem grudar na parede de acordo com uma expressão arbitrária ou uma probabilidade de adesão. Outras variáveis dependentes podem ser adicionadas ao modelo, o que permite calcular quantidades como massa, temperatura ou rotação das partículas.

As partículas podem ser liberadas sobre contornos e domínios uniformemente, de acordo com a malha, conforme definido por uma grade ou de acordo com uma expressão personalizada. Uma ampla gama de forças predefinidas está disponível para descrever especificamente como as partículas interagem com os campos. Pode-se, então, adicionar forças arbitrárias definindo uma expressão adequada. Também é possível modelar a interação bilateral entre as partículas e os campos (interação partícula-campo), bem como a interação de partículas entre si (interação partícula-partícula).

Animações

  • Os misturadores estáticos, também conhecidos como misturadores sem movimento ou em linha, são tubos que contêm pás estáticas que misturam os fluidos à medida que estes são bombeados através deles. Essa técnica de misturar é ótima para a misturar em escoamentos laminares visto que as perdas de pressão geradas nesse regime de escoamento são pequenas. O exemplo ilustra o estudo do escoamento em um misturador estático que contêm pás torcidas. O desempenho do misturador é avaliado através do cálculo das trajetórias das partículas suspensas ao longo do misturador. O modelo usa as interfaces Laminar Flow e Particle Tracing for Fluid Flow. Os misturadores estáticos, também conhecidos como misturadores sem movimento ou em linha, são tubos que contêm pás estáticas que misturam os fluidos à medida que estes são bombeados através deles. Essa técnica de misturar é ótima para a misturar em escoamentos laminares visto que as perdas de pressão geradas nesse regime de escoamento são pequenas. O exemplo ilustra o estudo do escoamento em um misturador estático que contêm pás torcidas. O desempenho do misturador é avaliado através do cálculo das trajetórias das partículas suspensas ao longo do misturador. O modelo usa as interfaces Laminar Flow e Particle Tracing for Fluid Flow.
  • Esse modelo simula a mistura de partículas em um micromisturador rotativo. O misturador contém três entradas diferentes e uma saída. A interface Rotating Machinery é usada para modelar o escoamento, e a interface Particle Tracing for Fluid Flow calcula as trajetórias das partículas. Esse modelo simula a mistura de partículas em um micromisturador rotativo. O misturador contém três entradas diferentes e uma saída. A interface Rotating Machinery é usada para modelar o escoamento, e a interface Particle Tracing for Fluid Flow calcula as trajetórias das partículas.
  • Esse modelo simula o crescimento exponencial de elétrons em um fotomultiplicador. Esse modelo simula o crescimento exponencial de elétrons em um fotomultiplicador.

Imagens adicionais:

  • Um microscópio eletrônico de varredura captura imagens de uma amostra varrendo um alvo com um feixe de elétrons de alta energia. As interações subsequentes dos elétrons produzem sinais como elétrons secundários e retrodispersos, que contêm informações acerca da topografia da superfície da amostra. Lentes eletromagnéticas são usadas para focar esse feixe de elétrons em um ponto de aproximadamente 10 nm na superfície de uma amostra. Esse modelo requer o Particle Tracing Module e o AC/DC Module. Um microscópio eletrônico de varredura captura imagens de uma amostra varrendo um alvo com um feixe de elétrons de alta energia. As interações subsequentes dos elétrons produzem sinais como elétrons secundários e retrodispersos, que contêm informações acerca da topografia da superfície da amostra. Lentes eletromagnéticas são usadas para focar esse feixe de elétrons em um ponto de aproximadamente 10 nm na superfície de uma amostra. Esse modelo requer o Particle Tracing Module e o AC/DC Module.
  • O componente principal de um espectrômetro de massa quadripolar é o filtro de massa que é usado para filtrar íons com diferentes razões  carga/massa. O filtro de massa quadripolar vem sendo bem estudado ao longo dos anos e tanto a física quanto o projeto ideal são bem entendidos. Em um espectrômetro de massa quadripolar real, existem campos periféricos tanto na entrada quanto na saída do filtro de massa. Esses campos periféricos podem exercer importante papel na determinação da probabilidade de transmissão de um íon específico através do filtro de massa. Esse modelo calcula as trajetórias iônicas em um espectrômetro de massa quadripolar, incluindo os efeitos dos campos periféricos. O componente principal de um espectrômetro de massa quadripolar é o filtro de massa que é usado para filtrar íons com diferentes razões carga/massa. O filtro de massa quadripolar vem sendo bem estudado ao longo dos anos e tanto a física quanto o projeto ideal são bem entendidos. Em um espectrômetro de massa quadripolar real, existem campos periféricos tanto na entrada quanto na saída do filtro de massa. Esses campos periféricos podem exercer importante papel na determinação da probabilidade de transmissão de um íon específico através do filtro de massa. Esse modelo calcula as trajetórias iônicas em um espectrômetro de massa quadripolar, incluindo os efeitos dos campos periféricos.

Ferramentas de Processamento Poderosas

Ferramentas de processamento poderosas permitem uma sofisticada visualização da trajetória das partículas calculada. As trajetórias das partículas podem ser representadas por pontos, caudas de cometa, linhas ou tubos. Animações podem ser facilmente criadas e visualizadas diretamente na interface gráfica do usuário (GUI) ou exportadas para um arquivo. As trajetórias das partículas podem ser coloridas usando expressões arbitrárias que podem depender das partículas, dos campos ou de qualquer combinação dos dois. Nos casos onde as trajetórias de muitas partículas são simuladas, é possível filtrar a trajetória de partículas específicas de acordo com uma expressão lógica. O comportamento em grupo das partículas pode ser projetado em uma dimensão menor e visualizado usando mapas de Poincaré ou retratos de fase. Também é possível realizar operações sobre as partículas para calcular e plotar o valor máximo, mínimo, médio, ou total de alguma quantidade, considerando todas as partículas. Os dados de trajetória das partículas em si podem ser avaliados e escritos na tabela Resultados ou exportados para um arquivo. Pode-se visualizar convenientemente as distribuições de velocidade e energia das partículas usando histogramas 1D ou 2D.

Partículas Carregadas em Campos Elétricos e Magnéticos

Partículas carregadas, como elétrons, íons individuais ou pequenos aglomerados iônicos, são afetadas por três forças primárias em campos elétricos e magnéticos:

  • A força elétrica, que resulta de um gradiente no potencial elétrico ou de um potencial vetorial magnético que varia com o tempo. As partículas com carga negativa movem-se no sentido oposto ao campo elétrico, e as partículas com carga positiva movem-se no mesmo sentido que o campo elétrico. A força elétrica executa trabalho sobre essas partículas.
  • A força magnética não executa trabalho sobre as partículas carregadas, mas pode alterar significativamente a trajetória delas. As órbitas de partículas carregadas submetidas a força magnética frequentemente são em forma de "banana", elas orbitam em torno das linhas de campo magnético com uma distância proporcional à sua massa.
  • Forças de colisão, que ocorrem quando partículas carregadas colidem contra um gás. Quanto maior a pressão do gás, mais relevantes são as forças de colisão.

Se a densidade numérica das espécies carregadas for menor que aproximadamente 1013 1/m3, o efeito das partículas sobre os campos pode ser negligenciado. Isso permite que você calcule os campos independentemente da trajetória das partículas. Os campos são então usados para computar as forças elétrica, magnética e de colisão sobre as partículas. O fato de que as trajetórias das partículas podem ser calculadas no seu próprio estudo permite que sejam usados solvers iterativos eficientes e que exigem poucos recursos computacionais.

Resolvendo o Rastreamento de Partículas

Para cada partícula, uma equação diferencial ordinária é resolvida para cada componente do vetor posição. Isso significa que três equações diferenciais ordinárias são resolvidas para cada partícula em 3D e duas em 2D. Em cada passo de tempo, as forças que atuam sobre cada partícula são obtidas a partir dos campos calculados na posição atual da partícula. Se as forças de interação partícula-partícula forem incluídas no modelo, elas são acrescidas à força total. A posição da partícula é então atualizada, e o processo se repete até chegar ao tempo final especificado para a simulação. Uma vez que o Particle Tracing Module usa uma fórmula bastante geral para calcular as trajetórias das partículas, as interfaces de Rastreamento de Partículas podem ser usadas para modelar o movimento de partículas carregadas em campos eletromagnéticos, movimentos planetários e galácticos de larga escala e o movimento de partículas em sistemas fluidos laminares, turbulentos e bifásicos.

Estudando o Rastreamento de Partículas em um Fluido

O movimento de partículas microscópicas e macroscópicas é tipicamente dominado pela força de arrasto que atua sobre as partículas submersas no fluido. Há duas fases no sistema: uma fase discreta, a qual consiste em bolhas, partículas ou gotículas e uma fase contínua, na qual as partículas são imersas. Para que a abordagem de rastreamento de partículas seja válida, o sistema deve ser um escoamento diluído ou disperso. Isso significa que a fração volumétrica da fase discreta deve ser muito menor que a da fase contínua (geralmente menor que 1%). Quando a fração volumétrica das partículas não é pequena, o sistema fluido é categorizado como um escoamento denso e será necessário adotar outra abordagem de modelagem. É importante entender que, com a abordagem de rastreamento de partículas, as partículas não deslocam o volume de fluido ocupado por elas.

Em um escoamento disperso, a fase contínua afeta o movimento das partículas, mas não o contrário. Isso é geralmente chamado de "acoplamento de uma via". Ao modelar um sistema assim, normalmente é mais eficiente resolver a fase contínua primeiro e, então, computar a trajetória das fases dispersas.

Em um escoamento diluído, a fase contínua afeta o movimento das partículas e o movimento das partículas, por sua vez, perturba a fase contínua. Normalmente isso é chamado de "acoplamento de duas vias". A fim de modelar esse efeito, deve-se calcular a fase contínua e a fase dispersa simultaneamente. Logo, a demanda computacional é significativamente maior para modelar escoamentos diluídos do que para modelar escoamentos dispersos.

A Smooth Optical Surface in Minutes

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Red Blood Cell Separation

Particle Trajectories in a Laminar Static Mixer

Brownian Motion

Ion Cyclotron Motion

Rotating Galaxy

Ideal Cloak