PEGASUS 專業低溫等離子體與稀薄氣體仿真軟件

中性稀薄氣體仿真


    PEGASUS中的包含4個中性氣體模塊:NMEM模塊、DSMCM2D模塊、DSMCM3D模塊和RGS3D模塊。其中NMEM模塊是中性氣體流體仿真模型,采用的是流體算法。而DSMCM2D模塊、DSMCM3D模塊和RGS3D模塊是專門針對中性稀薄氣體氣體的仿真模塊,采用的是直接蒙特卡洛算法算法。能夠對10-9Pa至10atm氣壓範圍的中性氣體的行為、特征進行表征。可以仿真稀薄氣體中的納米粒子在微尺度下的分子與原子行為;也可以對多種真空設備中的稀薄氣體進行動理學和粘性流的模擬。同時,中性氣體的模擬可以與等離子放電進行耦合,分析中性粒子對等離子體中的帶電粒子的影響。HTRM2D模塊則是中性氣體輔助模塊。


1. 混合氣體流動及加熱過程仿真

    裝置介紹(如下圖):針對某工業用圓柱形真空腔室中的混合氣體流動及加熱過程進行了模擬,如下圖所示。模擬采用兩維柱坐標,腔室截麵尺寸為18×10.5cm,進氣孔直徑為0.3cm,氣體出口直徑為4cm,Ar流量為350sccm,Cl2流量為150sccm,氣體溫度為300K,而基片表麵溫度為370K(約0.032eV)。分別針對13.3Pa和0.5Pa的氣壓進行了模擬。


a) 初始氣壓為13.3Pa的情況:

    分別采用了NMEM流體模型和DSMCM粒子模型兩種算法,如圖2和圖3所示。可以看到,兩種算法能夠得到較為一致的結果。采用NMEM流體算法,能夠分別得到各組分氣體的密度、流量,以及混合氣體的溫度、速度、壓強分布。采用DSMCM粒子算法,能夠分別得到各組分氣體的密度、溫度、壓強、速度、流量以及能量、角度分布。根據不同的問題模型及所需結果,選擇合適的模塊及算法很有必要。

圖2. NMEM流體模塊計算結果:Ar密度、Cl2密度、混合氣體溫度、Ar流量、Cl2流量、混合氣體速度
圖3. DSMCM粒子模塊計算結果:Ar密度、Cl2密度、Cl2溫度、Ar流量、Cl2流量、Cl2速度


b) 初始氣壓為0.5Pa的情況

    背景氣壓為0.5Pa時,氣體分子的平均自由程與整個裝置的尺寸相當,需要用基於直接蒙特卡洛方法的DSMCM模塊進行粒子模擬。低氣壓下(10-9Pa至100Pa)的中性氣體模擬是PEGASUS的一大優勢。圖4給出了不同時刻的Cl2分子和Ar分子的密度分布。

圖4. (a)不同時刻Cl2分子密度分布圖;(b)不同時刻Ar分子密度分布圖


2. 電子束蒸發製備Si薄膜的仿真

    電子束蒸發裝置如下圖所示,電子束對Si材料進行加熱,使Si產生熱蒸發,至上部的Cu片上。PEGASUS采用HTRM2D模塊和DSMCM模塊的耦合計算進行了該過程的模擬。電子束在Si表麵形成的熱源為15MW/m2,形成的熱源半徑約50mm。

     HTRM2D對電子束對裝置的加熱模擬結果如下:

邊界對輻射的吸收通量(符號為+) 邊界的輻射通量(符號為-)

     將以上用HTRM2D計算的熱傳及熱輻射結果作為輸入文件,與DSMCM模塊進行耦合計算,得到在電子束加熱的條件下,Si分子的特征分布函數。結果如下:


3. 九腔室抽真空仿真

    針對傳統九腔室抽真空過程進行了三維模擬,所用模塊RGS3D。初始壓強5Pa,出口壓強10-4Pa。

結構尺寸和監控點設置
N2粒子隨時間的變化曲線
壓強分布截麵圖


4. 真空蒸鍍仿真

    本例計算仿真真空蒸鍍,計算熱致揮發的原子在真空室的輸運過程以及在材料表麵的鍍膜分析。三維模型如下,計算使用RGS3D模塊。

密度、壓力等的空間分布切片圖膜厚度的仿真和實驗結果相比較


5. 氫氣與乙醇混合氣體2D仿真

二維模型使用DSMCM模塊。

1. 模型概述

    計算模型的參數如下圖所示。氫氣由兩側的進口注入,裝置內有一圓碟呈有酒精並不斷揮發。裝置上半徑設為25.86mm,下半徑設為13.3mm。在二維模型中做了一定的簡化處理,近似認為整個裝置是軸對稱的。

二維模型 三維模型

2. 計算結果

    模擬了兩種情況:

(1)沒有氫氣注入,隻有乙醇揮發。下圖分別為密度分布演化以及速率演化圖。

(2)氫氣注入量為給定值的十分之一。

氫氣的密度、壓強、速率和流場分布雲圖
乙醇的密度、溫度、壓強、速率和流場分布


6. 氫氣與乙醇混合氣體3D仿真

三維模型使用RGS3D模塊。

1. 模型設置
    考慮到模型的對稱性和計算的速度,將模型簡化到四分之一。氫氣注入量為給定值的十分之一。

2. 模型計算結果
    以下結果所處時間為t=0.1376s。密度單位為/m3,溫度單位為K,壓強單位為Pa,速度單位為m/s,通量單位為/s/m2

四分之一計算模型 C2H6O密度 C2H6O溫度
C2H6O壓強 C2H6O速度 H2壓強


7. 稀薄大氣高速飛行器氣動性能2D仿真

1. 模型描述
    使用DSMCM模塊仿真100km高空10馬赫飛行器的外部氣動性能。
    100km高空氣體非常稀薄,壓強0.1Pa,傳統的流體軟件已經不適用。因此采用直接蒙特卡洛方法計算模塊DSMCM。

2. 模型設置
    2維軸對稱模型。

2. 計算結果
    N的輸運過程

    O的輸運過程


8. 稀薄大氣高速飛行器氣動性能3D仿真

1. 模型描述
    本例仿真距離地麵100km高空,高速飛行器的氣動模型。仿真條件為:N(0.08Pa)和O(0.02Pa)混合氣體,飛船移動速度為5000m/s。模擬飛船飛行迎風麵受到的大氣阻力以與氣體的摩擦發熱效果。三維建模如下:

2. 計算結果
    (1)氣體在飛船表麵的壓力分布:

N壓強分布 O壓強分布

    (2)氣體在飛船表麵的溫度分布:

N溫度分布 O溫度分布

    (3)氣體在飛船表麵的密度分布:

N密度分布 O密度分布


9. 真空中氣泡爆炸擴散仿真

1. 模型描述
    計算模型的三維建模如下:

    兩個真空室為50*50*50(cm3)的立方體,中間由半徑3cm長20cm的圓柱管道連通。氣泡直徑12cm。 氣泡內填充氣體為Ar氣,氣壓約170Pa,溫度500K。

2. 計算結果
    氣泡的初始狀態(0s):

Ar密度分布 Ar壓強分布

    氣體在第一個真空室的擴散(氣體密度分布演化):

2.5e-6s 5.0e-6s 7.5e-6s 1.0e-5s
1.25e-5s 1.5e-5s 1.75e-5s 2.0e-5s

    氣體由左側真空室往右側擴散(密度分布雲圖(對數坐標))

0.25e-5s 2.5e-4s 5.0e-4s 2.0e-2s


10. H2在真空腔室中的動態分布仿真

1. 模型描述
    本例是為某單位的大型真空設備所做的仿真計算,三維模型如下:


(1:監測點;2:放電室;3:引出區;4:漂移管道1;5:方形小真空室;6:漂移管道2;7:尾部簡化主真空室)

    引出區的複雜網孔結構:

計算旨在模擬氣體在真腔室的輸運過程,以及各子腔室內的氣壓分布情況。仿真氣體為H2,壓強範圍10-4~2Pa。

2. 計算結果
    腔室內氣體分布達到穩定的特征演化時間如下圖:

采樣粒子穩定時間(迭代步) 4,5和6腔室內氣壓穩定的特征時間


    腔室內達到穩定分布時,壓強對數分布截麵圖:
沿y軸縱切


沿z軸橫切

距離入口:0.1mm10mm50mm


放電室的壓強分布:

檢測點位置壓強演化曲線


漂移區多層網孔結構對氣流的阻力效果,壓強分布關係:

檢測點位置壓強演化曲線


11. 冷凝泵抽真空過程

    本例是針對低溫冷凝泵抽真空過程的3D數值模擬。計算模型為大型環形管狀真空室。冷凝麵溫度為4.5K,仿真氣體為H2。模擬冷凝泵將真空室內氣體壓強範圍0.5Pa——>1.0e-5Pa。仿真模型做了部分簡化,並且按照對稱結果隻截取環形的1/20參與計算,扇角20 。


物理模型

三維建模


    計算總共執行2000000步,對應真實時長約為3.6s。真空室內壓強隨時間變化曲線如下:

壓強對數坐標壓強常坐標


    不同時刻壓強分布截麵圖(對數坐標):

0.06s0.5s1.0s2s


    不同時刻氣體流場分布圖(矢量分布,對數坐標):

0.06s0.5s1.0s2s
氣體溫度分布氣體熱運動速率分布壁麵粒子碰撞密度分布壁麵溫度分布


12. 漩渦泵稀薄氣體抽氣仿真

    計算模型為圓柱結構,高300mm,半徑100mm。中間為簡化的四葉風扇。轉速為5000rad/s。氣體壓強0.01Pa。仿真計算100000步,對應真實時長約0.3s。計算采用三維模型,使用RGS3D模塊進行仿真。

 

 

1.PEGASUS軟件簡介
2.放電等離子體仿真
4.等離子體增強材料表麵處理