Fluent顆粒沉積的案例
空間液滴操控及顆粒沉積研究取得重要進(jìn)展
在過(guò)去的二十年里，液滴蒸發(fā)中的微流動(dòng)和顆粒沉積引起了科學(xué)家極大的研究興趣，這既因?yàn)檎舭l(fā)過(guò)程中蘊(yùn)含著豐富的物理學(xué)現(xiàn)象，例如常見(jiàn)的“咖啡環(huán)效應(yīng)”，又由于其在綠色印刷、微納器件制備、疾病診斷等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，作為人體體液等復(fù)雜體系的一種簡(jiǎn)單模型，研究膠體液滴的操控、蒸發(fā)及顆粒沉積，可為未來(lái)空間探索任務(wù)中的復(fù)雜流體管理、資源再生與利用、宇航員生理狀況監(jiān)測(cè)等提供理論指導(dǎo)和技術(shù)支持。然而，蒸發(fā)中的膠體液滴是一個(gè)高度非平衡體系，存在復(fù)雜的傳熱傳質(zhì)和能量交換過(guò)程，顆粒沉積理論仍不完善，這大大限制了其應(yīng)用。
近期，中科院力學(xué)所微重力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室王育人團(tuán)隊(duì)針對(duì)空間中膠體液滴操控及液滴內(nèi)顆粒沉積動(dòng)力學(xué)的研究取得重要進(jìn)展。一是基于實(shí)踐十號(hào)（SJ-10）衛(wèi)星提供的高水平微重力實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，集成表面浸潤(rùn)性修飾、復(fù)雜流體均勻分散等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，發(fā)展了一套空間復(fù)雜流體管理系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了膠體液滴在太空的生成和操控。相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Langmuir (W. Li, H. Sun, D. Lan, and Y. Wang, 2018, DOI: 10.1021/acs.langmuir.8b00219)及Microgravity Sci. Technol. (W. Li, D. Lan, Z. Sun, B. Geng, X. Wang, W. Tian, G. Zhai and Y. Wang, 2016, DOI: 10.1007/s12217-016-9497-6)上，并授權(quán)多項(xiàng)國(guó)家發(fā)明專利。二是首次在咖啡環(huán)內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了二維網(wǎng)絡(luò)狀圖案，提出去浸潤(rùn)和顆粒組裝之間的相互耦合機(jī)制是決定沉積結(jié)構(gòu)的主要原因。通過(guò)進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)重力沉降、氣液界面收縮及毛細(xì)補(bǔ)償流在蒸發(fā)不同階段的相互協(xié)同和競(jìng)爭(zhēng)共同影響了顆粒的聚集狀態(tài)，提出了正置和倒置液滴中顆粒運(yùn)動(dòng)的追擊和相遇機(jī)制。
展開(kāi) Ansys Fluent在化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)中的應(yīng)用
可以發(fā)現(xiàn)，沉積組分的濃度分布與電子密度場(chǎng)的分布趨勢(shì)相近，表明相對(duì)于組分的對(duì)流和擴(kuò)散作用，電離場(chǎng)對(duì)組分分布的影響更大。此外，可以看到由于沉積組分在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)吸附，晶圓表面沉積組分減少，形成薄薄的一層薄膜。我們還可以發(fā)現(xiàn)，SiH3和H在空間分布不均勻，而薄膜的沉積厚度取決于沉積組分的吸附作用，因此這可能是引起非晶硅薄膜沉積厚度不均勻的原因之一。
圖13 SiH3摩爾分?jǐn)?shù)云圖
圖14 H的摩爾分?jǐn)?shù)云圖
結(jié)論
化學(xué)氣相沉積過(guò)程較為復(fù)雜，包含宏觀和微觀反應(yīng)過(guò)程，因此很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法獲得反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)特性。采用CFD軟件FLUENT可以深入探究反應(yīng)器內(nèi)的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，流場(chǎng)流動(dòng)特性，從而找到引起沉積薄膜厚度不均的原因。接下來(lái)，我們可以通過(guò)改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流場(chǎng)參數(shù)來(lái)提高沉積薄膜的均勻性。
展開(kāi) 實(shí)例詳解 Ansys Fluent在化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)中的應(yīng)用
圖11：SiH4的摩爾分?jǐn)?shù)云圖
圖12：H2的摩爾分?jǐn)?shù)云圖
非晶硅薄膜的厚度主要取決于沉積組分SiH3和H的沉積量，SiH3和H的摩爾分?jǐn)?shù)分布云圖如圖12、13所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，沉積組分的濃度分布與電子密度場(chǎng)的分布趨勢(shì)相近，表明相對(duì)于組分的對(duì)流和擴(kuò)散作用，電離場(chǎng)對(duì)組分分布的影響更大。此外，可以看到由于沉積組分在晶圓表面產(chǎn)生化學(xué)吸附，晶圓表面沉積組分減少，形成薄薄的一層薄膜。我們還可以發(fā)現(xiàn)，SiH3和H在空間分布不均勻，而薄膜的沉積厚度取決于沉積組分的吸附作用，因此這可能是引起非晶硅薄膜沉積厚度不均勻的原因之一。
圖13：SiH3摩爾分?jǐn)?shù)云圖
圖14：H的摩爾分?jǐn)?shù)云圖
結(jié)論
化學(xué)氣相沉積過(guò)程較為復(fù)雜，包含宏觀和微觀反應(yīng)過(guò)程，因此很難通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量的方法獲得反應(yīng)器內(nèi)的流體流動(dòng)特性。采用CFD軟件Fluent可以深入探究反應(yīng)器內(nèi)的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，流場(chǎng)流動(dòng)特性，從而找到引起沉積薄膜厚度不均的原因。接下來(lái)，我們可以通過(guò)改進(jìn)反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、優(yōu)化流場(chǎng)參數(shù)來(lái)提高沉積薄膜的均勻性。
展開(kāi) Fluent的DPM模型中5種顆粒類型，你懂選擇嗎 附FLUENT-DPM下載
當(dāng)你設(shè)置好DPM模型的初始條件后，你需要指定顆粒的類型。依據(jù)手上仿真的工況，參考下面Fluent提供的5種顆粒類型，從而選擇合適你需要的顆粒類型。
在DPM模型中，提供了5種仿真類型。并不是所有顆粒類型都能選用的，有些顆粒類型需要配合其他模型一起打開(kāi)才能選到的。
從上面DPM面板中看到，提供了下面5種顆粒類型：Massless, Inert, Droplet, Combusting和 Multicomponent。
1. Massless
Massless（無(wú)質(zhì)量顆粒），一種離散元素，在連續(xù)流體中跟隨流動(dòng)。由于它沒(méi)有質(zhì)量，所以它和物理屬性沒(méi)有關(guān)聯(lián)，同樣，也不受力。但是，可以分配一種用戶定義定律（User-Defined Law）給它。
可選性：在Fluent任何模型中，慣性顆粒總是可選的。
2. Inert
Inert（慣性顆粒），一種離散相類型，例如顆粒、液滴或氣泡，服從力平衡，以及受到加熱／冷卻影響（由定律1確定）。
可選性：在FLUENT任何模型中，慣性顆粒總是可選的。
3. Droplet
Droplet（液滴顆粒），是一種存在于連續(xù)相氣流中的液體顆粒。它服從力的平衡并受到加熱／冷卻的影響（由定律1 確定）。此外，他還由定律2 和3 確定自身的蒸發(fā)與沸騰。
可選性：只有傳熱選項(xiàng)被激活并且至少兩種化學(xué)組份在計(jì)算中是被激活的，或者已經(jīng)選擇了非預(yù)混燃燒或部分預(yù)混燃燒模型，液滴類型才是可選的。當(dāng)選擇了液滴類型之后，用戶應(yīng)該使用理想氣體定律來(lái)定義氣相密度。
4. Combusting
Combusting（燃燒顆粒），是一種固體顆粒，它遵從力平衡通過(guò)由定律1 所確定的加熱冷卻過(guò)程、由定律4 所確定的揮發(fā)份析出過(guò)程以及由定律5 所確定的異相表面反應(yīng)機(jī)制。
展開(kāi) 
Fluent實(shí)用案例 | DEM顆粒瞬態(tài)仿真
本案例利用Fluent中的DEM模型，對(duì)管道運(yùn)輸進(jìn)行流體仿真，主要是對(duì)管路顆粒運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行診斷，防止出現(xiàn)顆粒陷入死循環(huán)，導(dǎo)入管路阻塞和浪費(fèi)。因此進(jìn)行相關(guān)的管路氣力運(yùn)輸可以按照本文的相關(guān)設(shè)置進(jìn)行仿真計(jì)算。
1 workbench 設(shè)置
本案例具體設(shè)置如下圖 ：
2 SCDM 設(shè)置
2.1 導(dǎo)入幾何
本案例的管道模型十分簡(jiǎn)單，為幾段簡(jiǎn)易管路組成 。具體的幾何模型與邊界條件如下所示：
其中上方為入口邊界條件，下方為出口邊界條件。
3 Fluent Meshing 設(shè)置
3.1 網(wǎng)格設(shè)置
采用 Fluent meshing 進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格劃分，并劃分相對(duì)應(yīng)的邊界層網(wǎng)格。具體的網(wǎng)格劃分如下圖所示：
4 FLUENT 設(shè)置
4.1 General設(shè)置與網(wǎng)格導(dǎo)入
首先導(dǎo)入網(wǎng)格，然后勾選為瞬態(tài)計(jì)算，并選擇壓力基求解器。打開(kāi)重力選項(xiàng)，由于本案例是以y軸負(fù)向作為重力方向，因此需要再y出設(shè)置為-9.81m/s。
展開(kāi) FLUENT管道內(nèi)固體顆粒模擬
本教程演示了管道內(nèi)固體顆粒隨氣流運(yùn)動(dòng)的設(shè)置和求解。幾何模型為二維模型。
1 啟動(dòng)Workbench并建立分析項(xiàng)目
（1）在Windows系統(tǒng)下執(zhí)行“開(kāi)始”→“所有程序”→ANSYS 19.2→Workbench命令，啟動(dòng)Workbench 19.2，進(jìn)入ANSYS Workbench 19.2界面。
（2）雙擊主界面Toolbox（工具箱）中的Analysis systems→Fluid Flow（Fluent）選項(xiàng)，即可在項(xiàng)目管理區(qū)創(chuàng)建分析項(xiàng)目A。
2 導(dǎo)入幾何體
（1）在A2欄的Geometry上單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的快捷菜單中選擇Import Geometry→Browse命令，此時(shí)會(huì)彈出“打開(kāi)”對(duì)話框。
（2）在彈出的“打開(kāi)”對(duì)話框中選擇文件路徑，導(dǎo)入幾何體文件。
3 劃分網(wǎng)格
（1）雙擊A3欄Mesh項(xiàng)，進(jìn)入Meshing界面，在該界面下進(jìn)行模型的網(wǎng)格劃分。
（2）依次右鍵選擇模型下邊界和上邊界，在彈出的如圖16-79所示的快捷菜單中選擇Create Named Selection，彈出如圖16-80所示的Selection Name對(duì)話框，輸入名稱inlet和outlet，單擊OK按鈕確認(rèn)。
（3）設(shè)置網(wǎng)格尺寸為0.01m。在Quality中，Smoothing選擇High。
（4）右鍵單擊模型樹(shù)中Mesh選項(xiàng)，選擇快捷菜單中的Generate Mesh選項(xiàng)，開(kāi)始生成網(wǎng)格。
（5）網(wǎng)格劃分完成以后，單擊模型樹(shù)中Mesh項(xiàng)可以在圖形窗口中查看網(wǎng)格。
（6）執(zhí)行主菜單File→Close Meshing命令，退出網(wǎng)格劃分界面，返回到Workbench主界面。
展開(kāi) 基于Ansys Fluent 的顆粒分離/過(guò)濾解決方案
過(guò)濾是指通過(guò)特殊裝置將顆粒移除，將流體提純凈化的過(guò)程。過(guò)濾的方式很多，應(yīng)用的物系也很廣泛，固-液、固-氣、大顆粒-小顆粒等。本文主要講述如何通過(guò)Fluent軟件實(shí)現(xiàn)在設(shè)備工作場(chǎng)景中的顆粒分離/過(guò)濾。
目錄
1. Eulerian method（瞬態(tài)方法）
2. DPM
3. DDPM
1. Eulerian method（瞬態(tài)方法）
此方法適用于高負(fù)載(顆粒體積含率較高)的情況。
? 固定速度:多孔介質(zhì)中第二相(次要相)顆粒速度設(shè)置為0
? 多孔介質(zhì)/膜外面的顆粒將會(huì)堆積
? 堆積的顆粒造成的壓降通過(guò)顆粒與流體之間的曳力描述
假設(shè)所有的顆粒都被捕捉，將多孔介質(zhì)中的顆粒速度約束為0，從而阻止顆粒通過(guò)多孔介質(zhì)。
2.DPM
方法:一系列的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果(也可應(yīng)用于非穩(wěn)態(tài)計(jì)算)
(1) 通過(guò)UDsF獲得顆粒在膜上的沉積；
(2)基于顆粒在膜上的沉積分布，根據(jù)沉積量調(diào)整阻力；
假設(shè)在膜兩側(cè)施加定常壓力，每次釋放的顆粒，都將沉積到過(guò)濾層。注意:沉積發(fā)生在尖端和凹槽處。
隨著沉積物的積累，流量將會(huì)將會(huì)輕微的發(fā)生變化。
Deposit vs. Mass Flow Rate (kg/s)
1. 0.0089773936
2. 0.0086228549
3. 0.0075318487
4. 0.0070381071
顆粒沉積在過(guò)濾膜上的相關(guān)UDFs
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展開(kāi) 使用ANSYS Fluent的DEM模型(離散單元法)演示轉(zhuǎn)鼓中的顆粒混合
目錄與軟件介紹
幾何與網(wǎng)格化
Fluent設(shè)置
動(dòng)畫(huà)
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基于ANSYS Fluent軟件的顆粒表面反應(yīng)專題應(yīng)用培訓(xùn)
課程名稱：基于ANSYS Fluent軟件的顆粒表面反應(yīng)專題應(yīng)用培訓(xùn)
預(yù)排開(kāi)課日期：4/11-4/12
課程難度：高階級(jí)
培訓(xùn)費(fèi)：5000
備注：實(shí)際開(kāi)課日期或因?qū)W員報(bào)名情況進(jìn)行調(diào)整，最終日期請(qǐng)以笛佼科技官方確認(rèn)為準(zhǔn)。
掃碼報(bào)名
學(xué)員能力提升目標(biāo)
· 了解ANSYS化熱反應(yīng)/燃燒相關(guān)解決方案
· 熟悉ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)的類型及應(yīng)用場(chǎng)景
· 掌握ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)速率的常用定義方式：標(biāo)準(zhǔn)界面/UDFs
· 掌握ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)的常用分析流程
· 熟悉顆粒表面反應(yīng)的常見(jiàn)案例
授課內(nèi)容提綱
一、化學(xué)反應(yīng)模擬概述及ANSYS化學(xué)反應(yīng)解決方案介紹
二、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)類型及設(shè)置簡(jiǎn)介
三、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)速率UDFs定義介紹
四、ANSYS Fluent顆粒表面反應(yīng)案例分享
4.1、金屬顆粒表面反應(yīng)應(yīng)用案例分享
4.2、碳酸鈣顆粒分解反應(yīng)應(yīng)用案例分享（基于缺省表面反應(yīng)速率定義方式）
4.3、碳酸鈣顆粒分解反應(yīng)應(yīng)用案例分享（基于UDFs方式定義表面反應(yīng)速率）
4.4、煤氣化應(yīng)用案例介紹(體積反應(yīng)/顆粒表面反應(yīng))
師資力量
CAE行業(yè)資深工程師團(tuán)隊(duì)，學(xué)歷碩博為主，均擁有多年客戶仿真項(xiàng)目實(shí)操經(jīng)驗(yàn)，理論素養(yǎng)與實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)雙保險(xiǎn)。
培訓(xùn)優(yōu)勢(shì)
采用線下小班精講形式，理論知識(shí)+案例講解+上機(jī)輔導(dǎo)，附贈(zèng)培訓(xùn)相關(guān)資料，可獲取講師微信課后交流。
上課地址
上海市楊浦區(qū)國(guó)安路432號(hào)保輝國(guó)際大廈D座802室
其他說(shuō)明
1. 培訓(xùn)計(jì)算機(jī)及相關(guān)軟件操作權(quán)限由笛佼科技現(xiàn)場(chǎng)提供；
2. 培訓(xùn)結(jié)束后將獲取笛佼科技官方培訓(xùn)證書(shū)；
3.
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