PEGASUS 专业低温等离子体与稀薄气体仿真软件

中性稀薄气体仿真


    PEGASUS中的包含4个中性气体模块:NMEM模块、DSMCM2D模块、DSMCM3D模块和RGS3D模块。其中NMEM模块是中性气体流体仿真模型,采用的是流体算法。而DSMCM2D模块、DSMCM3D模块和RGS3D模块是专门针对中性稀薄气体气体的仿真模块,采用的是直接蒙特卡洛算法算法。能够对10-9Pa至10atm气压范围的中性气体的行为、特征进行表征。可以仿真稀薄气体中的纳米粒子在微尺度下的分子与原子行为;也可以对多种真空设备中的稀薄气体进行动理学和粘性流的模拟。同时,中性气体的模拟可以与等离子放电进行耦合,分析中性粒子对等离子体中的带电粒子的影响。HTRM2D模块则是中性气体辅助模块。


1. 混合气体流动及加热过程仿真

    装置介绍(如下图):针对某工业用圆柱形真空腔室中的混合气体流动及加热过程进行了模拟,如下图所示。模拟采用两维柱坐标,腔室截面尺寸为18×10.5cm,进气孔直径为0.3cm,气体出口直径为4cm,Ar流量为350sccm,Cl2流量为150sccm,气体温度为300K,而基片表面温度为370K(约0.032eV)。分别针对13.3Pa和0.5Pa的气压进行了模拟。


a) 初始气压为13.3Pa的情况:

    分别采用了NMEM流体模型和DSMCM粒子模型两种算法,如图2和图3所示。可以看到,两种算法能够得到较为一致的结果。采用NMEM流体算法,能够分别得到各组分气体的密度、流量,以及混合气体的温度、速度、压强分布。采用DSMCM粒子算法,能够分别得到各组分气体的密度、温度、压强、速度、流量以及能量、角度分布。根据不同的问题模型及所需结果,选择合适的模块及算法很有必要。

图2. NMEM流体模块计算结果:Ar密度、Cl2密度、混合气体温度、Ar流量、Cl2流量、混合气体速度
图3. DSMCM粒子模块计算结果:Ar密度、Cl2密度、Cl2温度、Ar流量、Cl2流量、Cl2速度


b) 初始气压为0.5Pa的情况

    背景气压为0.5Pa时,气体分子的平均自由程与整个装置的尺寸相当,需要用基于直接蒙特卡洛方法的DSMCM模块进行粒子模拟。低气压下(10-9Pa至100Pa)的中性气体模拟是PEGASUS的一大优势。图4给出了不同时刻的Cl2分子和Ar分子的密度分布。

图4. (a)不同时刻Cl2分子密度分布图;(b)不同时刻Ar分子密度分布图


2. 电子束蒸发制备Si薄膜的仿真

    电子束蒸发装置如下图所示,电子束对Si材料进行加热,使Si产生热蒸发,至上部的Cu片上。PEGASUS采用HTRM2D模块和DSMCM模块的耦合计算进行了该过程的模拟。电子束在Si表面形成的热源为15MW/m2,形成的热源半径约50mm。

     HTRM2D对电子束对装置的加热模拟结果如下:

边界对辐射的吸收通量(符号为+) 边界的辐射通量(符号为-)

     将以上用HTRM2D计算的热传及热辐射结果作为输入文件,与DSMCM模块进行耦合计算,得到在电子束加热的条件下,Si分子的特征分布函数。结果如下:


3. 九腔室抽真空仿真

    针对传统九腔室抽真空过程进行了三维模拟,所用模块RGS3D。初始压强5Pa,出口压强10-4Pa。

结构尺寸和监控点设置
N2粒子随时间的变化曲线
压强分布截面图


4. 真空蒸镀仿真

    本例计算仿真真空蒸镀,计算热致挥发的原子在真空室的输运过程以及在材料表面的镀膜分析。三维模型如下,计算使用RGS3D模块。

密度、压力等的空间分布切片图膜厚度的仿真和实验结果相比较


5. 氢气与乙醇混合气体2D仿真

二维模型使用DSMCM模块。

1. 模型概述

    计算模型的参数如下图所示。氢气由两侧的进口注入,装置内有一圆碟呈有酒精并不断挥发。装置上半径设为25.86mm,下半径设为13.3mm。在二维模型中做了一定的简化处理,近似认为整个装置是轴对称的。

二维模型 三维模型

2. 计算结果

    模拟了两种情况:

(1)没有氢气注入,只有乙醇挥发。下图分别为密度分布演化以及速率演化图。

(2)氢气注入量为给定值的十分之一。

氢气的密度、压强、速率和流场分布云图
乙醇的密度、温度、压强、速率和流场分布


6. 氢气与乙醇混合气体3D仿真

三维模型使用RGS3D模块。

1. 模型设置
    考虑到模型的对称性和计算的速度,将模型简化到四分之一。氢气注入量为给定值的十分之一。

2. 模型计算结果
    以下结果所处时间为t=0.1376s。密度单位为/m3,温度单位为K,压强单位为Pa,速度单位为m/s,通量单位为/s/m2

四分之一计算模型 C2H6O密度 C2H6O温度
C2H6O压强 C2H6O速度 H2压强


7. 稀薄大气高速飞行器气动性能2D仿真

1. 模型描述
    使用DSMCM模块仿真100km高空10马赫飞行器的外部气动性能。
    100km高空气体非常稀薄,压强0.1Pa,传统的流体软件已经不适用。因此采用直接蒙特卡洛方法计算模块DSMCM。

2. 模型设置
    2维轴对称模型。

2. 计算结果
    N的输运过程

    O的输运过程


8. 稀薄大气高速飞行器气动性能3D仿真

1. 模型描述
    本例仿真距离地面100km高空,高速飞行器的气动模型。仿真条件为:N(0.08Pa)和O(0.02Pa)混合气体,飞船移动速度为5000m/s。模拟飞船飞行迎风面受到的大气阻力以与气体的摩擦发热效果。三维建模如下:

2. 计算结果
    (1)气体在飞船表面的压力分布:

N压强分布 O压强分布

    (2)气体在飞船表面的温度分布:

N温度分布 O温度分布

    (3)气体在飞船表面的密度分布:

N密度分布 O密度分布


9. 真空中气泡爆炸扩散仿真

1. 模型描述
    计算模型的三维建模如下:

    两个真空室为50*50*50(cm3)的立方体,中间由半径3cm长20cm的圆柱管道连通。气泡直径12cm。 气泡内填充气体为Ar气,气压约170Pa,温度500K。

2. 计算结果
    气泡的初始状态(0s):

Ar密度分布 Ar压强分布

    气体在第一个真空室的扩散(气体密度分布演化):

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

    气体由左侧真空室往右侧扩散(密度分布云图(对数坐标))

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


10. H2在真空腔室中的动态分布仿真

1. 模型描述
    本例是为某单位的大型真空设备所做的仿真计算,三维模型如下:


(1:监测点;2:放电室;3:引出区;4:漂移管道1;5:方形小真空室;6:漂移管道2;7:尾部简化主真空室)

    引出区的复杂网孔结构:

计算旨在模拟气体在真腔室的输运过程,以及各子腔室内的气压分布情况。仿真气体为H2,压强范围10-4~2Pa。

2. 计算结果
    腔室内气体分布达到稳定的特征演化时间如下图:

采样粒子稳定时间(迭代步) 4,5和6腔室内气压稳定的特征时间


    腔室内达到稳定分布时,压强对数分布截面图:
沿y轴纵切


沿z轴横切

距离入口:0.1mm10mm50mm


放电室的压强分布:

检测点位置压强演化曲线


漂移区多层网孔结构对气流的阻力效果,压强分布关系:

检测点位置压强演化曲线


11. 冷凝泵抽真空过程

    本例是针对低温冷凝泵抽真空过程的3D数值模拟。计算模型为大型环形管状真空室。冷凝面温度为4.5K,仿真气体为H2。模拟冷凝泵将真空室内气体压强范围0.5Pa——>1.0e-5Pa。仿真模型做了部分简化,并且按照对称结果只截取环形的1/20参与计算,扇角20 。


物理模型

三维建模


    计算总共执行2000000步,对应真实时长约为3.6s。真空室内压强随时间变化曲线如下:

压强对数坐标压强常坐标


    不同时刻压强分布截面图(对数坐标):

0.06s0.5s1.0s2s


    不同时刻气体流场分布图(矢量分布,对数坐标):

0.06s0.5s1.0s2s
气体温度分布气体热运动速率分布壁面粒子碰撞密度分布壁面温度分布


12. 漩涡泵稀薄气体抽气仿真

    计算模型为圆柱结构,高300mm,半径100mm。中间为简化的四叶风扇。转速为5000rad/s。气体压强0.01Pa。仿真计算100000步,对应真实时长约0.3s。计算采用三维模型,使用RGS3D模块进行仿真。

 

 

1.PEGASUS软件简介
2.放电等离子体仿真
4.等离子体增强材料表面处理