聲子輸運(yùn)模擬
關(guān)注創(chuàng)建者：匿名 創(chuàng)建時(shí)間：2026-01-04
聲子輸運(yùn)模擬的視頻教程
基于組分輸運(yùn)模型的城市污染物泄露模擬
1.組分輸運(yùn)仿真基本通用流程； 2. 城市CAD模型處理過程與meshing網(wǎng)格劃分； 3. 計(jì)算求解設(shè)置與后處理過程； 4. 入口速度隨高度變化UDF程序編寫； 5. 提供源文件與答疑過程；
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基于組分輸運(yùn)和MRF模型的3D攪拌槽模擬
組分輸運(yùn)flent仿真基本通用流程； 3.fluent meshing多域網(wǎng)格劃分過程 4. fluent與cfd-post后處理過程； 5.提供源文件與答疑過程；
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Fluent專家-組分輸運(yùn)-案例2 （室內(nèi)甲醛污染物濃度分布的數(shù)值模擬）
Fluent專家-組分輸運(yùn)-案例2 （室內(nèi)甲醛污染物濃度分布的數(shù)值模擬） 案例簡介 本案例利用組分傳輸模型對室內(nèi)甲醛污染物濃度進(jìn)行數(shù)值模擬。新買的家具往往都會有甲醛釋放，本案例利用房間通風(fēng)來降低室內(nèi)甲醛濃度，計(jì)算污染物濃度是否達(dá)到環(huán)保要求。
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聲子輸運(yùn)模擬的實(shí)例教程
本項(xiàng)目使用真實(shí)結(jié)構(gòu)的micro-CT圖像數(shù)據(jù)，在Simpleware軟件中進(jìn)行可視化和處理，生成網(wǎng)格化的3D模型，然后將其導(dǎo)出至仿真軟件中研究化學(xué)輸運(yùn)機(jī)制。
亮點(diǎn)
從開源庫中獲取真實(shí)巖石結(jié)構(gòu)的 micro-CT數(shù)據(jù)；
在Simpleware ScanIP中進(jìn)行圖像處理和分割；
在Simpleware FE中為孔隙結(jié)構(gòu)生成高質(zhì)量的多相網(wǎng)格；
在仿真軟件中進(jìn)行孔隙尺度化學(xué)輸運(yùn)模擬。
圖像處理
使用帝國理工學(xué)院孔隙尺度模型（PERM）聯(lián)盟提供的開源巖石CT圖像庫中的micro-CT 數(shù)據(jù)，獲得孔隙空間和微觀結(jié)構(gòu)的RAW圖像文件。在Simpleware ScanIP中將圖像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為基于3D體素的幾何結(jié)構(gòu)，為網(wǎng)格劃分做準(zhǔn)備。由于CT掃描通常會產(chǎn)生噪音，此步驟的處理極其復(fù)雜。為了渲染構(gòu)造良好的巖石和孔隙相，在ScanIP軟件中使用了一系列的視覺濾波器和圖像處理技術(shù)。
圖：Simpleware ScanIP中micro-CT數(shù)據(jù)的可視化和分割
利用Simpleware FE模塊為多相流模型生成非常穩(wěn)健的CFD網(wǎng)格，并直接導(dǎo)出至 仿真軟件。
圖：使用Simpleware FE模塊生成網(wǎng)格化的多孔結(jié)構(gòu)模型
然后將網(wǎng)格化的多孔介質(zhì)模型導(dǎo)入商用偏微分方程（PDE）求解器中求解 Navier-Stokes 方程，計(jì)算絕對滲透率等基本參數(shù)。這樣的工作流程可以對真實(shí)孔隙尺度結(jié)構(gòu)中化學(xué)組分的輸運(yùn)進(jìn)行模擬。
展開 聲子傳輸?shù)?em>模擬證實(shí)了平面空位在散射中頻聲子中的重要作用。這種高密度的平面空位與晶界和點(diǎn)缺陷一起，導(dǎo)致Ge1-x-yCdxBiyTe中的晶格熱導(dǎo)率急劇下降。最終，實(shí)現(xiàn)了2.2的峰值zT，這促使GeTe成為一個(gè)尖端熱電材料的梯隊(duì)。
【成果簡介】
針對GeTe的多能帶現(xiàn)象，研究者們利用Cd參雜來減小這些能帶間的能量差，這個(gè)現(xiàn)象被計(jì)算的能帶得以證實(shí)。而且，測試的電性能參數(shù)確實(shí)得到有效提升，詳細(xì)的電子輸運(yùn)模擬分析發(fā)現(xiàn)，塞貝克系數(shù)的提升是源于次能帶的貢獻(xiàn)增加導(dǎo)致的。但載流子濃度在Cd參雜的GeTe中依然偏高。利用Bi參雜，有效降低載流子濃度，使得功率因此實(shí)現(xiàn)較優(yōu)化的值。測試的熱導(dǎo)率也顯著降低。為深入理解此種現(xiàn)象，研究者們做了大量的TEM和球差STEM電鏡表征。發(fā)現(xiàn)這種材料中存在大量的面空位陣列。聲子輸運(yùn)模擬揭露出，此種新型面空位陣列主要散射中頻聲子，結(jié)合材料中的晶界以及由于參雜帶來的點(diǎn)缺陷，就實(shí)現(xiàn)了一種寬頻聲子散射機(jī)制。從而就得到了顯著降低的熱導(dǎo)率。
在該項(xiàng)成果發(fā)表之前，課題組先研究了GeTe相變對熱電性能的影響。首先利用Sb參雜來調(diào)控載流子濃度，實(shí)現(xiàn)較優(yōu)化的功率因子。在此基礎(chǔ)上，利用In參雜來實(shí)現(xiàn)DOS在費(fèi)米能級處的局部畸變，從事實(shí)現(xiàn)功率因子的進(jìn)一步增大。在Sb和In共參雜的GeTe中，研究者們發(fā)現(xiàn)相變溫度有所降低。首先，利用原位變溫XRD譜，得到了一些列不同溫度下的GeTe的晶格參數(shù)，根據(jù)這些晶格參數(shù)，計(jì)算了相應(yīng)溫度下的能帶和聲子色散譜。GeTe的能帶結(jié)構(gòu)中，有兩個(gè)不同的價(jià)帶可以參與載流子傳輸。隨溫度升高，價(jià)帶見的能級差降低，在相變位置處，能級差產(chǎn)生顯著降低的跳躍。Cubic相對于更小的能級差，而且能帶簡并度顯著增大。從而高溫相對于的電性能會更好。
展開 剛度矩陣中任意元素都可以根據(jù)由第一性原理計(jì)算得出的聲子色散曲線來確定。
在本次案例研究中，我們介紹了一個(gè)用立方體結(jié)構(gòu)來分析硅、金剛石和銅單晶的剛度矩陣的方法。
如圖1，硅是具有金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶體，其剛度矩陣如下所示。
由于立方晶體具有對稱性，使用SIESTA模擬軟件計(jì)算可得該模型中有3個(gè)獨(dú)立元素：C11C11，C12C12，和C44C44。
圖1 硅的金剛石結(jié)構(gòu)
立方晶體的剛度矩陣
硅的聲子色散曲線可以用SEISTA模擬軟件直接計(jì)算（如圖2）。
根據(jù)硅的晶胞中原子數(shù)為2這一事實(shí)依據(jù)，硅有三種聲振模式和三種光學(xué)模式。硅是具有金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶體，其色散曲線表現(xiàn)出不同晶體取向的色散特性。
這里我們重點(diǎn)關(guān)注從ΓX點(diǎn)指向的(1,0,0)方向，和從ΓL點(diǎn)指向的(1,1,1)方向擴(kuò)展的聲振模式色散特性。聲振模式的色散特性在近場的長波區(qū)呈線性Γ，且該梯度曲線給出了聲速。
圖2 硅的聲子色散曲線
圖3 區(qū)域1和2的色散曲線
圖中虛線表示靠近該區(qū)域的每個(gè)傳播方向上的聲速Γ點(diǎn)，下標(biāo)L/T代表縱波和橫波。
在（1,0,0）方向傳播的聲波由一個(gè)縱波和兩個(gè)簡并后的橫波組成，它們各自的聲速和剛度矩陣可以表示為下列關(guān)系式，由此結(jié)果可得C11C11 和 C44C44。
進(jìn)一步使用該結(jié)果，根據(jù)（1,1,1）方向傳播的聲波可以得到c12。在本案例中，梯度（聲速）在Γ點(diǎn)可以通過使用圖中1和2區(qū)域的三階最小二乘法構(gòu)造一條近似曲線獲得，這是SIESTA模塊的聲子分析功能。根據(jù)取得的聲速，可以按以下公式計(jì)算剛度矩陣。
聲速與(1,0,0)/(1,1,1)方向上剛度矩陣的關(guān)系。
各個(gè)箭頭表示偏振方向，紅色箭頭表示縱波，綠色箭頭表示橫波。
展開 近年來，在界面熱輸運(yùn)理論和模擬方面取得了許多進(jìn)展，主要集中在原子尺度上的界面散射。傳統(tǒng)的聲學(xué)失配模型(AMM)和擴(kuò)散失配模型( DMM)基于兩種組成材料的性質(zhì)來預(yù)測界面聲子散射，沒有考慮局部原子結(jié)構(gòu)和鍵合強(qiáng)度對界面熱輸運(yùn)的影響，存在一定的缺陷。
近期新的模擬手段，例如原子格林函數(shù)(AGF)和分子動力學(xué)(MD)模擬，克服了這些缺點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于各種類型的界面。雖然這些MD和AGF在原子尺度上對界面聲子輸運(yùn)的詳細(xì)機(jī)制的理解有了顯著的進(jìn)步，但是它們對模擬更小尺度上的能力有限，例如距離界面幾微米范圍內(nèi)的聲子-界面和聲子-聲子散射的聯(lián)合效應(yīng)。因此揭示微觀尺度上聲子-界面和聲子-聲子散射的復(fù)雜相互作用是非常重要的。
02
成果掠影
近期，美國匹茲堡大學(xué)Sangyeop Lee教授團(tuán)隊(duì)研究了硅鍺界面聲子-界面散射和硅鍺引線聲子-聲子散射對界面總熱阻的綜合影響。
利用動力學(xué)蒙特卡羅(MC)技術(shù)求解了半無限長Si和Ge引線界面上聲子輸運(yùn)的穩(wěn)態(tài)Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程。此外，該團(tuán)隊(duì)計(jì)算了聲子-聲子散射產(chǎn)生的局部熵，并定量分析了非平衡聲子在界面附近散射產(chǎn)生的熱阻。通過使用Peerls - Boltzmann輸運(yùn)方程表明，非平衡聲子在Si-Ge界面附近的聲子-聲子散射產(chǎn)生的阻力遠(yuǎn)大于界面散射直接引起的阻力。
根據(jù)玻爾茲曼H定理，聲子非平衡分布導(dǎo)致了聲子散射時(shí)產(chǎn)生顯著的熵和熱阻。用聲子色散、態(tài)密度和群速度的不匹配解釋了鍺中非平衡聲子的物理起源，為預(yù)測非平衡聲子對界面熱阻的影響提供指導(dǎo)。該團(tuán)隊(duì)的工作清楚地表明，除了先前研究的原子尺度外，界面熱輸運(yùn)還需要在微觀尺度上理解。該研究彌補(bǔ)了原子尺度和微觀尺度現(xiàn)象之間的差距，提供了對整體界面熱運(yùn)輸和聲子-聲子散射的重要作用的全面理解。
展開 <p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">FLUENT可以使用組分輸運(yùn)模型來模擬濕空氣，但這只是組分輸運(yùn)模型的一個(gè)簡單應(yīng)用，實(shí)際上對組分輸運(yùn)模型應(yīng)用比較多的是燃燒和化學(xué)反應(yīng)問題。本文主要通過組分輸運(yùn)模型模擬濕空氣問題來講解該模型的基本使用方法。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span></p><p><strong style="background-color: rgb(0, 255, 0);">1 概念介紹</strong></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">什么叫做組分輸運(yùn)？我們通過和多相流概念對比來進(jìn)行理解，我們知道多相流是指相態(tài)不同（氣、液、固）的流體或相同相態(tài)但運(yùn)動狀態(tài)不同的流體共同流動，對于這樣的問題我們使用多相流模型可以很清晰的查看流體的相界面分布情況。但是如果多種流體相態(tài)和運(yùn)動狀態(tài)都相同，呈現(xiàn)出一種混合狀態(tài)比如空氣，不存在相界面，我們應(yīng)該如何模擬呢？-使用組分輸運(yùn)模型，所以組分輸運(yùn)模型實(shí)際上是模擬混合物各組分之間或與其他相之間的相互作用。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">對于空氣，其由氧氣、氮?dú)?、水蒸氣等氣體組成，如果我們只想了解其中水蒸氣各物理場分布情況，就可以使用組分輸運(yùn)模型。本例用一個(gè)簡單的例子來簡要描述Fluent組分輸運(yùn)模型模擬濕空氣問題。
展開 
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聲子輸運(yùn)模擬的最新內(nèi)容
<p><span style="color: rgb(0, 0, 0);">FLUENT可以使用組分輸運(yùn)模型來模擬濕空氣，但這只是組分輸運(yùn)模型的一個(gè)簡單應(yīng)用，實(shí)際上對組分輸運(yùn)模型應(yīng)用比較多的是燃燒和化學(xué)反應(yīng)問題。本文主要通過組分輸運(yùn)模型模擬濕空氣問題來講解該模型的基本使用方法。</span></p><p><span style="color: rgb(0, 0, 0);"> </span>
來源 | Materials Today Physics
01
背景介紹
隨著科技的飛速發(fā)展，電子器件逐漸朝著微型化、集成化的方向發(fā)展，因此給電子器件帶來了高的功率密度，高功率密度導(dǎo)致了器件發(fā)熱嚴(yán)重，如果不采取有效的手段可能會導(dǎo)致熱失控的發(fā)生。因此熱管理材料以及技術(shù)逐漸開始成為人們重點(diǎn)關(guān)注的方向。
熱管理就是一個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，因此固體材料之間的界面的熱傳遞引起了人們的極大興趣
概述
基于圖像的建?？捎糜诜治鐾ㄟ^多孔介質(zhì)的傳質(zhì)現(xiàn)象，特別適用于儲層巖石孔隙-喉道網(wǎng)絡(luò)。這些分析的目的是為提高我們對流體通過可變孔隙尺度運(yùn)動方式的理解和表征。
本項(xiàng)目使用真實(shí)結(jié)構(gòu)的micro-CT圖像數(shù)據(jù)，在Simpleware軟件中進(jìn)行可視化和處理，生成網(wǎng)格化的3D模型，然后將其導(dǎo)出至仿真軟件中研究化學(xué)輸運(yùn)機(jī)制。
材料的彈性特征可以使用剛度矩陣來進(jìn)行完全描述。剛度矩陣中任意元素都可以根據(jù)由第一性原理計(jì)算得出的聲子色散曲線來確定。
在本次案例研究中，我們介紹了一個(gè)用立方體結(jié)構(gòu)來分析硅、金剛石和銅單晶的剛度矩陣的方法。
如圖1，硅是具有金剛石結(jié)構(gòu)的立方晶體，其剛度矩陣如下所示。
由于立方晶體具有對稱性，使用SIESTA模擬軟件計(jì)算可得該模型中有3個(gè)獨(dú)立元素：C11C11，C12C12，和C44C44
聲子輸運(yùn)模擬揭露出，此種新型面空位陣列主要散射中頻聲子，結(jié)合材料中的晶界以及由于參雜帶來的點(diǎn)缺陷，就實(shí)現(xiàn)了一種寬頻聲子散射機(jī)制。從而就得到了顯著降低的熱導(dǎo)率。
在該項(xiàng)成果發(fā)表之前，課題組先研究了GeTe相變對熱電性能的影響。首先利用Sb參雜來調(diào)控載流子濃度，實(shí)現(xiàn)較優(yōu)化的功率因子。在此基礎(chǔ)上，利用In參雜來實(shí)現(xiàn)DOS在費(fèi)米能級處的局部畸變，從事實(shí)現(xiàn)功率因子的進(jìn)一步增大。
奧胡斯大學(xué)NPG Asia Materials：WSe2晶體管的雙極性輸運(yùn)行為和他在模擬電路中的應(yīng)用。
【本文亮點(diǎn)】
（1）利用電場力顯微鏡研究了1-40層WSe2的電場屏蔽效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)1-3層WSe2屏蔽行為與二維模式的非線性Thomas-Fermi理論相符合；而4-40層WSe2的屏蔽行為則趨向于三維Thomas-Fermi
