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構(gòu)造二維周期性光柵結(jié)構(gòu)
復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)等領(lǐng)域。VirtualLab Fusion 軟件用傅立葉模態(tài)法(FMM,或者RCWA)一種簡易的仿真方法來嚴(yán)格分析任意的光柵結(jié)構(gòu)。使用圖形用戶界面,可以設(shè)置堆棧的幾何圖形,從而生成復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。 此例程主要用于構(gòu)建具有二維周期性特征的光柵。
? 光柵工具箱中構(gòu)建二維光柵的方法 ? 基于介質(zhì)定義的類型 ? 基于界面定義的類型
? 計(jì)算之前修改高級(jí)選項(xiàng)和檢查定義的結(jié)構(gòu)的方法。
? 提示:在VirtualLab軟件中的光柵結(jié)構(gòu)中,表現(xiàn)為二維周期性的被稱作 三維光柵。同樣的,層狀光柵(一維周期性)被稱作二維光柵。
初始化光柵工具箱
通用光柵光路圖(三維光柵) General Grating Light Path Diagram(3D Gratings)
光柵菜單欄(Grating) ?
?
開始菜單欄 (Start)?
?
初始化
Path Diagram(3D Gratings))
設(shè)置光柵結(jié)構(gòu)
?
首先,需要定義基底(Base Block)的厚度和介質(zhì)。
?
VirtualLab中光柵結(jié)構(gòu)在堆棧(stack) 中定義。
?
可以在基底的前表面、后表面或者前后表面同時(shí)添加堆棧(stack)。
展開 [VirtualLab] 構(gòu)造二維周期性光柵結(jié)構(gòu)
? 堆棧周期(Stack Period)可以控制整個(gè)結(jié)構(gòu)的周期。
? 對(duì)于二維周期性光柵,必須在x和y方向分別定義周期。
? 該周期也是FMM算法的周期邊界條件。
? 對(duì)于簡單的光柵結(jié)構(gòu),建議選擇與介質(zhì)周期一致 (Dependent from the Period of Medium) 選項(xiàng),并選擇合適的周期性介質(zhì)的序號(hào)。
VirtualLab:構(gòu)造二維周期性光柵結(jié)構(gòu)
復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)等領(lǐng)域。VirtualLab Fusion 軟件用傅立葉模態(tài)法(FMM,或者RCWA)一種簡易的仿真方法來嚴(yán)格分析任意的光柵結(jié)構(gòu)。使用圖形用戶界面,可以設(shè)置堆棧的幾何圖形,從而生成復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。此例程主要用于構(gòu)建具有二維周期性特征的光柵。
? 光柵工具箱中構(gòu)建二維光柵的方法 ? 基于介質(zhì)定義的類型 ? 基于界面定義的類型
? 計(jì)算之前修改高級(jí)選項(xiàng)和檢查定義的結(jié)構(gòu)的方法。
? 提示:在VirtualLab軟件中的光柵結(jié)構(gòu)中,表現(xiàn)為二維周期性的被稱作 三維光柵。同樣的,層狀光柵(一維周期性)被稱作二維光柵。
初始化光柵工具箱
? 初始化
? 開始菜單欄 (Start)?
光柵菜單欄(Grating) ?
通用光柵光路圖(三維光柵) General Grating Light Path Diagram(3D Gratings)
? 提示:對(duì)于特殊類型的光柵,例如柱形光柵,
可以在光柵工具箱中直接點(diǎn)擊柱形光柵光路
圖(三維光柵)(Pillar Grating Light
Path Diagram(3D Gratings))
設(shè)置光柵結(jié)構(gòu)
? 首先,需要定義基底(Base Block)的厚度和介質(zhì)。
? VirtualLab中光柵結(jié)構(gòu)在堆棧(stack) 中定義。
? 可以在基底的前表面、后表面或者前后表面同時(shí)添加堆棧(stack)。
? 例如,圖中在前表面添加了堆棧(stack)。
基于材料定義光柵的類型(例程:柱形光柵)
堆棧編輯器
在堆棧編輯器(Stack Editor)中,界面和材料可以從中目錄(catalog) 中添加。
? 為了用一種特殊的介質(zhì)定義光柵,需要添加兩個(gè)平面界面,作為介質(zhì)的邊界。
展開 VirtualLab:構(gòu)造二維周期性光柵結(jié)構(gòu)
復(fù)雜光柵結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)等領(lǐng)域。VirtualLab Fusion 軟件用傅立葉模態(tài)法(FMM,或者RCWA)一種簡易的仿真方法來嚴(yán)格分析任意的光柵結(jié)構(gòu)。使用圖形用戶界面,可以設(shè)置堆棧的幾何圖形,從而生成復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。此例程主要用于構(gòu)建具有二維周期性特征的光柵。
? 光柵工具箱中構(gòu)建二維光柵的方法 ? 基于介質(zhì)定義的類型 ? 基于界面定義的類型
? 計(jì)算之前修改高級(jí)選項(xiàng)和檢查定義的結(jié)構(gòu)的方法。
? 提示:在VirtualLab軟件中的光柵結(jié)構(gòu)中,表現(xiàn)為二維周期性的被稱作 三維光柵。同樣的,層狀光柵(一維周期性)被稱作二維光柵。
初始化光柵工具箱
? 初始化
? 開始菜單欄 (Start)?
光柵菜單欄(Grating) ?
通用光柵光路圖(三維光柵) General Grating Light Path Diagram(3D Gratings)
? 提示:對(duì)于特殊類型的光柵,例如柱形光柵,
可以在光柵工具箱中直接點(diǎn)擊柱形光柵光路
圖(三維光柵)(Pillar Grating Light
Path Diagram(3D Gratings))
設(shè)置光柵結(jié)構(gòu)
? 首先,需要定義基底(Base Block)的厚度和介質(zhì)。
? VirtualLab中光柵結(jié)構(gòu)在堆棧(stack) 中定義。
? 可以在基底的前表面、后表面或者前后表面同時(shí)添加堆棧(stack)。
? 例如,圖中在前表面添加了堆棧(stack)。
基于材料定義光柵的類型(例程:柱形光柵)
堆棧編輯器
在堆棧編輯器(Stack Editor)中,界面和材料可以從中目錄(catalog) 中添加。
? 為了用一種特殊的介質(zhì)定義光柵,需要添加兩個(gè)平面界面,作為介質(zhì)的邊界。
展開 
二維周期光柵結(jié)構(gòu)的配置
? 此外,這里不能定義光柵前面的介質(zhì)(后一個(gè)界面后面)。它是自動(dòng)從光柵元件前面的材料中取出的。
可以在光學(xué)設(shè)置編輯器中更改此材料。
? 堆棧周期允許控制整個(gè)配置的周期。
? 對(duì)于具有二維周期性的光柵,周期必須在x和y方向上定義。
? 該周期也用于FMM算法的周期性邊界條件。對(duì)于簡單的光柵結(jié)構(gòu),建議從介質(zhì)周期中選擇“相關(guān)的”(Dependent)選項(xiàng),并選擇適當(dāng)?shù)?em>周期介質(zhì)指數(shù)。
3. 柱狀光柵介質(zhì)參數(shù)
通過以下參數(shù)定義柱狀光柵:
? 基材(凹槽的介質(zhì))
? 柱狀材料(脊的材料)
? 柱的形狀(矩形或橢圓形)
? x方向(水平方向)柱距
? y方向(垂直方向)柱距
? 行移(允許行位移)
? 光柵周期在x和y方向
? 根據(jù)柱柵的尺寸和距離自動(dòng)計(jì)算柱柵的周期。
? 因此,它不能單獨(dú)設(shè)置,框顯示為灰色。
4. 高級(jí)選項(xiàng)&信息
? 在傳播菜單中有幾個(gè)高級(jí)選項(xiàng)可用。
? propagation method選項(xiàng)卡允許編輯FMM算法的精度設(shè)置。
? 可以設(shè)置每個(gè)方向上考慮的總階數(shù)或倏逝波階數(shù)。
? 這可能是有用的,尤其是如果考慮金屬光柵。
? 相反,對(duì)于電介質(zhì)光柵,默認(rèn)設(shè)置就足夠了。
? Advanced Settings選項(xiàng)卡提供關(guān)于結(jié)構(gòu)分解的信息。
? 層分解和過渡點(diǎn)分解設(shè)置可用于調(diào)整結(jié)構(gòu)的離散性。默認(rèn)設(shè)置適用于幾乎所有光柵結(jié)構(gòu)。
? 此外,還提供了關(guān)于層數(shù)和轉(zhuǎn)換點(diǎn)的信息。
? 分解預(yù)覽按鈕提供了用于FMM計(jì)算的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)的描述。折射率用色標(biāo)表示。
? 定義的柱柵分解預(yù)覽(俯視圖)。
? ?VirtualLab建議將其離散化為2層(1層表示基底)。
展開 [VirtualLab] 二維周期光柵結(jié)構(gòu)的配置
摘要
復(fù)雜光學(xué)光柵結(jié)構(gòu)被廣泛用于多種應(yīng)用,如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)等。利用傅里葉模態(tài)法(FMM,或稱RCWA) VirtualLab Fusion 提供了一種用于任意光柵結(jié)構(gòu)嚴(yán)格分析的簡單方法。利用圖形用戶界面,用戶可以設(shè)置堆棧的幾何形狀,從而產(chǎn)生復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。本案例主要集中于具有二維周期光柵結(jié)構(gòu)的配置。
1. 本案例主要說明:
? 如何在光柵工具箱中配置二維光柵結(jié)構(gòu),通過:
- 基于介質(zhì)的定義類型
- 基于表面的定義類型
? 計(jì)算前如何改變高級(jí)選型并檢查定義的結(jié)構(gòu)。
? 注意:在VirtualLab中,具有二維周期性的光柵結(jié)構(gòu)稱作3D光柵。因此,層狀光柵(一維光柵)被稱為2D光柵。
2. 光柵工具箱初始化
? 初始化
- 開始→
光柵→
一般光柵光路圖(3D光柵)
? 注意:對(duì)于特殊類型的光柵,如柱狀光柵,可以直接選擇特定的光路圖。
3. 光柵結(jié)構(gòu)配置
? 首先,必須先定義基底的厚度與材料
? 在VirtualLab中,光柵結(jié)構(gòu)有一個(gè)所謂的堆棧進(jìn)行定義
? 堆棧可以附屬在基底的一側(cè)或兩側(cè)。
? 例如,堆棧選擇附屬在第一表面。
基于介質(zhì)的定義類型
(例如:柱狀光柵)
1. 堆棧編輯器
? 在堆棧編輯器中,可以從庫中增加和插入界面和介質(zhì)。
? 為了以特殊材料定義光柵,必須添加兩個(gè)平面界面作為邊界。
? 兩個(gè)平面界面間的介質(zhì)可以使均勻的,也可以是調(diào)制的。
? 通過使用后者,可以非常有效地描述復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu),如柱狀光柵。、
2.
展開 二維周期光柵結(jié)構(gòu)的配置
摘要
復(fù)雜光學(xué)光柵結(jié)構(gòu)被廣泛用于多種應(yīng)用,如光譜儀、近眼顯示系統(tǒng)等。利用傅里葉模態(tài)法(FMM,或稱RCWA) VirtualLab Fusion 提供了一種用于任意光柵結(jié)構(gòu)嚴(yán)格分析的簡單方法。利用圖形用戶界面,用戶可以設(shè)置堆棧的幾何形狀,從而產(chǎn)生復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu)。本案例主要集中于具有二維周期光柵結(jié)構(gòu)的配置。
1. 本案例主要說明:
? 如何在光柵工具箱中配置二維光柵結(jié)構(gòu),通過:
- 基于介質(zhì)的定義類型
- 基于表面的定義類型
? 計(jì)算前如何改變高級(jí)選型并檢查定義的結(jié)構(gòu)。
? 注意:在VirtualLab中,具有二維周期性的光柵結(jié)構(gòu)稱作3D光柵。因此,層狀光柵(一維光柵)被稱為2D光柵。
2. 光柵工具箱初始化
? 初始化
- 開始→
光柵→
一般光柵光路圖(3D光柵)
? 注意:對(duì)于特殊類型的光柵,如柱狀光柵,可以直接選擇特定的光路圖。
3. 光柵結(jié)構(gòu)配置
? 首先,必須先定義基底的厚度與材料
? 在VirtualLab中,光柵結(jié)構(gòu)有一個(gè)所謂的堆棧進(jìn)行定義
? 堆棧可以附屬在基底的一側(cè)或兩側(cè)。
? 例如,堆棧選擇附屬在第一表面。
基于介質(zhì)的定義類型
(例如:柱狀光柵)
1. 堆棧編輯器
? 在堆棧編輯器中,可以從庫中增加和插入界面和介質(zhì)。
? 為了以特殊材料定義光柵,必須添加兩個(gè)平面界面作為邊界。
? 兩個(gè)平面界面間的介質(zhì)可以使均勻的,也可以是調(diào)制的。
? 通過使用后者,可以非常有效地描述復(fù)雜的光柵結(jié)構(gòu),如柱狀光柵。、
2.
展開 VirtualLab:二維周期光柵結(jié)構(gòu)(菱形)光波導(dǎo)的應(yīng)用
我們通過對(duì)專利WO2018/178626中提到的設(shè)備進(jìn)行建模來證明這一能力,該設(shè)備由復(fù)雜的一維和二維菱形光柵結(jié)構(gòu)組成。
建模任務(wù):專利WO2018/178626
任務(wù)描述
光波導(dǎo)元件
使用光波導(dǎo)組件,可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的系統(tǒng)。此外,這些區(qū)域可以配備理想的或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu),以充當(dāng)入射耦合器、出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。
光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
使用光波導(dǎo)組件,可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的系統(tǒng)。此外,這些區(qū)域可以配備理想的或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu),以充當(dāng)入射耦合器、出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。
光柵#1:一維傾斜周期光柵
幾何布局展示了2個(gè)光柵:
?光柵1耦合器:層狀(一維周期性),例如傾斜光柵
?光柵2 EPE和輸出耦合器:交叉光柵(二維周期,非正交)
光柵#2:具有菱形輪廓的二維周期光柵
使用內(nèi)置調(diào)制介質(zhì)的具有傾斜脊的一維周期光柵結(jié)構(gòu)。
可用參數(shù):
?周期:400納米
?z方向延伸(沿z軸的調(diào)制深度):400nm
?填充系數(shù)(非平行情況下底部或頂部):50%
?傾斜角度:40o
總結(jié)—元件
具有非正交二維周期的菱形(菱形)光柵結(jié)構(gòu),通過定制接口實(shí)現(xiàn)。
展開 VirtualLab:二維周期光柵結(jié)構(gòu)(菱形)光波導(dǎo)的應(yīng)用
我們通過對(duì)專利WO2018/178626中提到的設(shè)備進(jìn)行建模來證明這一能力,該設(shè)備由復(fù)雜的一維和二維菱形光柵結(jié)構(gòu)組成。
建模任務(wù):專利WO2018/178626
任務(wù)描述
光波導(dǎo)元件
使用光波導(dǎo)組件,可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的系統(tǒng)。此外,這些區(qū)域可以配備理想的或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu),以充當(dāng)入射耦合器、出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。
光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
使用光波導(dǎo)組件,可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的系統(tǒng)。此外,這些區(qū)域可以配備理想的或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu),以充當(dāng)入射耦合器、出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。
光柵#1:一維傾斜周期光柵
幾何布局展示了2個(gè)光柵:
?光柵1耦合器:層狀(一維周期性),例如傾斜光柵
?光柵2 EPE和輸出耦合器:交叉光柵(二維周期,非正交)
光柵#2:具有菱形輪廓的二維周期光柵
使用內(nèi)置調(diào)制介質(zhì)的具有傾斜脊的一維周期光柵結(jié)構(gòu)。
可用參數(shù):
?周期:400納米
?z方向延伸(沿z軸的調(diào)制深度):400nm
?填充系數(shù)(非平行情況下底部或頂部):50%
?傾斜角度:40o
總結(jié)—元件
具有非正交二維周期的菱形(菱形)光柵結(jié)構(gòu),通過定制接口實(shí)現(xiàn)。
展開 VirtualLab:二維周期光柵結(jié)構(gòu)(菱形)光波導(dǎo)的應(yīng)用
我們通過對(duì)專利WO2018/178626中提到的設(shè)備進(jìn)行建模來證明這一能力,該設(shè)備由復(fù)雜的一維和二維菱形光柵結(jié)構(gòu)組成。
建模任務(wù):專利WO2018/178626
任務(wù)描述
光波導(dǎo)元件
使用光波導(dǎo)組件,可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的系統(tǒng)。此外,這些區(qū)域可以配備理想的或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu),以充當(dāng)入射耦合器、出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。
光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)
使用光波導(dǎo)組件,可以輕松定義具有復(fù)雜形狀區(qū)域的系統(tǒng)。此外,這些區(qū)域可以配備理想的或真實(shí)的光柵結(jié)構(gòu),以充當(dāng)入射耦合器、出耦合器或出瞳擴(kuò)展器。
光柵#1:一維傾斜周期光柵
幾何布局展示了2個(gè)光柵:
?光柵1耦合器:層狀(一維周期性),例如傾斜光柵
?光柵2 EPE和輸出耦合器:交叉光柵(二維周期,非正交)
光柵#2:具有菱形輪廓的二維周期光柵
使用內(nèi)置調(diào)制介質(zhì)的具有傾斜脊的一維周期光柵結(jié)構(gòu)。
可用參數(shù):
?周期:400納米
?z方向延伸(沿z軸的調(diào)制深度):400nm
?填充系數(shù)(非平行情況下底部或頂部):50%
?傾斜角度:40o
總結(jié)—元件
具有非正交二維周期的菱形(菱形)光柵結(jié)構(gòu),通過定制接口實(shí)現(xiàn)。
展開 JCMsuite中對(duì)二維光柵的定義和仿真
光柵是光衍射的周期性結(jié)構(gòu)。它能把入射的光束衍射成幾束向不同方向發(fā)散的光束。
二維光柵
二維光柵在兩個(gè)水平方向上都具有周期性。存在兩個(gè)晶格矢量因此當(dāng)幾何結(jié)構(gòu)移位一個(gè)晶格矢量時(shí),
下圖顯示了一個(gè)正方形晶格和一個(gè)六方形晶格的陣列排布:
正方晶格陣列;是正交的
六方晶格陣列;兩個(gè)晶格矢量形成一個(gè)60°角,且長度相等。
對(duì)于仿真,可以限制在一個(gè)單元晶胞(原始單元晶胞)上的計(jì)算,下圖展示利用JCMsuite對(duì)正方形單元晶胞和六方單元晶胞仿真得到的結(jié)果:
二維光柵(正方形單元晶胞)被S偏振光照明的場矢量
二維光柵(正方形單元晶胞)被P偏振光照明的場矢量
二維光柵(六方晶胞)被S偏振光照明的場矢量
二維光柵(六方晶胞)被P偏振光照明的場矢量
展開 
JCMsuite案例展示:方形晶胞(二維光柵)的仿真分析
這是一個(gè)簡單的二維光柵的案例,它有兩個(gè)周期的方形晶格。三維單元晶胞在x和y方向上是周期性的。它包含一個(gè)位于襯底上的菱形(平行六面體),并被背景材料包圍。示例中的材料選擇為鉻(菱形結(jié)構(gòu))、玻璃(基底)和空氣(背景材料)。
光柵被S和P偏振平面波照亮。JCMsuite計(jì)算近場分布。下圖顯示了當(dāng)波長為193nm時(shí),平面波從襯底側(cè)垂直入射到結(jié)構(gòu)內(nèi)的近場強(qiáng)度
S偏振光照明的場矢量
P偏振光照明的場矢量
后處理傅里葉變換計(jì)算透射衍射級(jí)次的振幅。
參數(shù)掃描
Matlab?腳本data_analysis/run_scan_illumination.m提供對(duì)入射角的掃描。它產(chǎn)生了以下圖表,顯示了反射和透射衍射級(jí)次的強(qiáng)度:
在腳本data_analysis/run_scan_width.m中,在一個(gè)固定的照明角度下,其中圖案寬度從150nm增至250nm。這將產(chǎn)生以下依賴關(guān)系
展開 波長選擇周期性互補(bǔ)諧振譜數(shù)值仿真分析 ¥500
image_process=/format,webp/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202205/imgs/fc64bb60a4544e13819b613fb261208a.png"></p>
<p style="text-align: center;"><strong>S參數(shù)圖</strong></p>
<p style="text-align: center;"><strong>圖2 數(shù)值仿真結(jié)果</strong></p>感興趣的朋友,可下載模型源文件,歡迎合作交流
</div><p><br></p>
展開 Fluent周期性流動(dòng)換熱仿真實(shí)例-翅片換熱器
案例描述:
氨水在間斷式翅片換熱器的流動(dòng)換熱仿真。由于在間斷式翅片換熱器中重復(fù)的幾何單元多,這里取它的一個(gè)重復(fù)單元進(jìn)行仿真分析即可,尺寸和邊界條件見下圖。
FLUENT 提供流向周期流的計(jì)算。這種流動(dòng)具有廣泛的應(yīng)用,如熱交換管道以及通過水箱的管流。在這些流動(dòng)模式中,幾何外形沿流動(dòng)方向上具有重復(fù)性的特點(diǎn),從而導(dǎo)致了周期性完全發(fā)展的流動(dòng)。這些周期性條件在足夠的入口長度后就會(huì)形成,具體與雷諾數(shù)和幾何外形有關(guān)。
周期性熱傳導(dǎo)的解策略:
完成了周期性熱傳導(dǎo)常數(shù)壁面溫度的用戶輸入之后,你就可以解決流動(dòng)和熱傳導(dǎo)問題直至收斂。最為有效的解決方法是首先解沒有熱傳導(dǎo)的周期性流動(dòng),然后不改變流場來解熱傳導(dǎo)問題,具體步驟如下:
在解控制面板中關(guān)閉能量方程選項(xiàng)。菜單:Solve/Controls/Solution...。
解剩下的方程(連續(xù)性,動(dòng)量以及湍流參數(shù)(可選))來獲取收斂的周期性流動(dòng)的流場解。注意,當(dāng)你在開始計(jì)算之前初始化流場時(shí),請(qǐng)使用入口體積溫度和壁面溫度的平均值作為流場的初始溫度。
回到解控制面板,關(guān)閉流動(dòng)方程打開能量方程。
解能量方程直至收斂獲取周期性溫度場。
當(dāng)同時(shí)考慮流動(dòng)和熱傳導(dǎo)來解決周期性流動(dòng)和熱傳導(dǎo)問題時(shí),你就會(huì)發(fā)現(xiàn)上面所介紹的方法相當(dāng)有效。
1、導(dǎo)入網(wǎng)格
1.1 打開Fluent軟件,選擇2D求解器。
1.2 導(dǎo)入網(wǎng)格。
1.3 尺寸縮放。在本案例的附件網(wǎng)格,需要點(diǎn)擊Scale兩次,如下圖。
2、模型選擇
打開能量方程和湍流模型,其中,湍流模型設(shè)置如下。
3、材料
在流體材料庫中調(diào)出氨水a(chǎn)mmonia-liquid (nh3<l>)的物性。
4、計(jì)算域設(shè)置
將計(jì)算域的材料設(shè)置為氨水。
展開