EasyPSim軟件

EasyPSim-PIC3D/PIC2D軟件

專業等離子體粒子仿真軟件


自主研發的等離子體仿真軟件EasyPSim-PIC3D/PIC2D采用三維/二維非結構化網格,核心算法是非結構化網格PIC-MCC(粒子云-蒙特卡洛碰撞)。其特點包括易于使用的前后處理器;非結構化非均勻網格,適應復雜幾何形狀;邊界面分組定義,方便模擬粒子壁面反應:二次粒子發射、濺射等;實體及屬性分組定義,方便設置金屬和不同介質材料屬性;能夠處理多種碰撞反應:電離、激發、電荷交換等;區域并行,支持大規模并行計算。


EasyPSim-PIC3D/PIC2D軟件可以用于電子槍、離子源、輝光放電、CCP放電、DBD放電、潘寧放電、磁控濺射、電推進、航天器表面充電等模型的計算。支持用戶定制開發和新功能擴展。

 

1. 前后處理器

支持內部建模和支持導入CAD模型;支持導入cgns格式網格文件。內置大量化學反應數據庫和碰撞截面數據庫,支持用戶自定義添加新的材料和反應方程。后處理部分可以顯示結果的曲線圖、云圖和矢量圖。

前后處理-圖1.png

圖1. 圖形化界面顯示實體和進行屬性設置

前后處理-圖2.png

圖2. 化學反應數據庫圖形化界面

前后處理-圖3.png

圖3. 后處理界面

2. 求解器

采用PIC-MCC(粒子云-蒙特卡洛碰撞)算法,核心計算過程包括:采用有限元方法求解電磁場;在非結構化網格內追蹤大量粒子運動;采用蒙特卡洛方法處理各種碰撞反應。采用四面體非結構化網格,能夠處理科研和工程應用中復雜幾何結構;采用MPI區域并行算法,形成大規模跨節點并行計算能力;能夠處理多種電場電勢邊界條件,包括第一類、第二類(對稱邊界)、周期性邊界、懸浮電勢邊界,用戶可以在多邊界上加載多種形式的可隨時間變化的電壓;能夠處理多種等離子體與材料相互作用過程,包括反射、二次電子發射、物理濺射、化學侵蝕等;具有粒子碰撞反應功能,包括電離碰撞、彈性碰撞、激發碰撞、電荷交換碰撞、復合碰撞等。

EasyPSim-PIC3D求解器能夠仿真帶電粒子和電磁場相互作用,以及帶電粒子之間和帶電粒子與中性氣體之間的多種碰撞反應,幫助科學工作者和工程師掌握非線性復雜等離子體物理過程中的物理圖像以及背后的物理機制。


3. 案例介紹

3.1 電子槍

本算例演示了帶電粒子和電場雙向耦合,以及自動區域劃分并行求解。圖4是三個并行計算所采用的網格以及網格分區。圖5給出了電勢分布和電子位置及速度分布,從圖中可以看到粒子被加速的過程,以及粒子束先匯聚再發散的現象。

電子槍-圖4.jpg           

圖4. 非結構化網格分區 

電子槍-圖5.png       

圖5. 電子槍案例結果 

3.2 低氣壓輝光放電

圖6給出了針電極附近的網格,可以看出四面體網格能夠很好的近似曲面結構。圖7給出了仿真達到穩態時的電子密度和電勢分布圖。

     輝光-圖6.png      

圖6. 非結構化網格 

輝光-圖7.png       

圖7. 輝光放電案例結果 

3.3 CCP放電(容性耦合放電)

放電腔室結構如圖8,下表面中間放置靶板電極。背景氬氣密度為2X1021m-3。靶板電極施加13.56 MHz的射頻電壓。圖9給出了仿真達到穩態時的電子密度和電勢分布圖。

CCP-圖8.png

圖8. 放電腔室結構 

CCP-圖9-1.png

CCP-圖9-2.png


圖9. CCP放電案例結果 

3.4 磁控濺射放電

圖12給出了電子和離子密度分布圖,圖13給出了靶板電極表面的離子粒子流分布圖。從密度分布圖可以看出,電子和離子均被磁場約束,密度空間分布明顯受磁場影響,進而導致靶板電極表面的離子粒子流也受磁場影響,呈現空間分布不均勻現象。電勢分布結果顯示電勢主要降在了陰極靶板附近,有利于加速離子,增大濺射產額。用戶可以根據仿真結果,對設備結構和參數進行優化,增加磁控濺射設備的濺射速率和均勻性。

磁控濺射-圖10.png

圖10. 放電腔室網格剖面圖 

磁控濺射-圖11.png

圖11. 磁場分布圖 

磁控濺射-圖12-1.png

磁控濺射-圖12-2.png

圖12. 電子和離子分布圖 

磁控濺射-圖13.png

圖13. Ar+離子粒子流分布 

3.5 電荷沉積/充電

本案例計算金屬球在等離子體環境中的充電即電荷沉積效應。

電荷沉積-15.png

圖14. 電荷沉積仿真結果 

3.6 衛星表面充電效應仿真

本案例計算數十米區域的衛星表面充電效應計算。

衛星表面充電-網格.png衛星表面充電-電子密度.png衛星表面充電-離子密度.png

圖15. 網格、電子密度、離子密度結果 

衛星表面充電-電位.png衛星表面充電-曲線.png

圖16. 電位分布、監控點電位變化曲線結果 

3.7 大氣壓火花放電仿真

EasyPSim-PIC2D直角坐標系,模擬區域5.0 mm×10.0 mm,單針陰極在上,電壓設置為-5000V;雙針陽極在下,電壓設置為5000V。背景氣壓為1Atm,考慮氮氣和氧氣,粒子數密度比例設為4:1。

大氣壓火花放電1.png

大氣壓火花放電2.png

圖17. 初始電位、電子密度演化結果

3.8 霍爾推進器放電仿真

EasyPSim-PIC2D圓柱坐標系,采用縮比技術將模擬區域縮小50倍,保持效率不變。背景氣體為氙氣Xe。

霍爾推力器01.png

霍爾推力器02.png

霍爾推力器03.png

圖18. 模型、電子密度、氙離子密度結果

4 總結

EasyPSim-PIC3D/PIC2D軟件可以用于電子槍、離子源、輝光放電、CCP放電、DBD放電、潘寧放電、磁控濺射、電推進、航天器表面充電等模型的計算。支持用戶定制開發和新功能擴展。

上海錦科信息科技有限公司/上海普萊斯麥科技有限公司多年來一直致力于等離子體、稀薄氣體仿真軟件的推廣銷售、軟件開發和技術服務,并致力于開發具有自主知識產權的軟件,為國內科研和工業用戶提供高質量的產品和服務。



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