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DFCD-MultiFLOW

DFCD-MultiFLOW基于有限体积法、压力基的多物理场流动进行仿真计算。DFCD-MultiFLOW求解器使用最先进的数值程序及最先进的物理模型，对宽广的复杂工业流动领域提供强大的多物理场求解。流体求解器包括专门应用到一些具体领域的几个模块。DFCD-MultiFLOW求解器包括下列模块：流体力学，传热/辐射，湍流，化学，电化学，生物化学，自由表面（VOF），喷雾/颗粒，气蚀，两相流，电磁，等离子，结构动力学。DFCD-MultiFLOW最著名的功能是对刻蚀机低温等离子体的流动仿真。

包括以下主要软件模块：

  1. 等离子/半导体工艺过程的数值仿真

  2. 流体力学/空气动力学

  3. 化学反应、湍流、喷雾/颗粒、传热/辐射、电化学、生物化学、自由表面(VOF) 、气蚀、两相流、电磁、电学、磁学、波尔兹曼动力学和结构动力学的数值仿真模块

上述模块紧密集成在DFCD-MultiFLOW体系下，可以高效执行，包括并行处理，动态内存使用和数据管理。

核心算法
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界面
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流体动力学模块

流动模块是其求解器的核心，可用于绝大多数模拟。可以模拟任何气体、液体。程序在有限体积离散基础上求解N-S方程。任何速度的内外流问题都可以求解，产生压力和速度场的解。流动模块的特点包括：

  • 基于压力的有限体积方法(FVM) N-S方程求解器
  • 所有流速
  • 牛顿和非牛顿流体粘度选项
  • 带有滑移壁面的稀薄气体流动
  • 几种体积力
  • 二维轴对称几何的漩流选项
  • 多孔介质和膜
  • 薄壁
  • 所有PDE的隐式，强守恒
  • 迎风，中心，二阶迎风，二阶Limiter, 三阶和智能空间差分程序
  • 欧拉和Crank-Nicolson 时间差分方法
  • 支持多块结构化一般非结构化(任意类型单元); 任意网格界面；嵌套网格丝和颗粒簇；移动、变形网格及其带有带有滑移网格界面的旋转网格

这些特点可以连同一个或更多其他DFCD-MultiFLOW模块来提供对复杂真实世界工程问题的多物理场求解，其流体动力学模块已经经过广泛的验证和使用。

传热/辐射模块

辐射对很多工业应用来说是主导的传热模式。例如包括燃烧、快速热处理(RTP)和快速热化学蒸气沉淀(RTCVD)。有些情况气体可能是参与的，而有些情况下只有固体参与。其辐射模块提供了用于满足不同应用领域的模型。三种模块如下：

  • Discrete Ordinates方法：适用于任何应用。尤其适用于气体参与燃烧的情况。该模型适合于灰体和非灰体属性
  • Monte Carlo方法：这种高可信度模块主要应用于半导体材料的处理。诸如光谱和方向变化的属性，薄膜干涉效应，部分镜面反射。该模型可用于灰体和非灰体属性
  • S2S（面对面）方法：这是十分高效的方法，适于不涉及气体参与的情况，可以快速评估辐射热通量，诸如汽车发动机。该模型只能用于灰体。

这三种模型都可用于任何网格拓扑。Discrete Ordinates和Monte Carlo模型可以在并行处理器上运行。其传热/辐射模块已经过充分验证，已成功用于众多的应用。下面为一些验证的结果。

湍流模块

对不同工业湍流都有大量应用。总之，任何中等到高雷诺数流动问题都涉及湍流。湍流对动量、热和质量传递有强烈影响。为满足宽泛的湍流模拟要求大量的湍流模型可用，其中有很多湍流模型。包括雷诺平均N-S方程(RANS)，及其大涡模拟 (LES)模型，这些可用模型如下：

      RANS (带有壁面函数)
    • 标准k-ε模型
    • RNG k-ε模型
    • Kato-Lauder k-ε模型
      RANS (没有壁面函数)
    • 两层 k-ε模型
    • Chien低雷诺k-e 模型
    • k-ω模型
    • k-ω剪切应力(SST) 模型
    • Spalart-Allmaras 模型
      LES
    • Smagorinsky 模型
    • Germano's Dynamic Subgrid Scale 模型
    • Menon's Localized Dynamic Subgrid Scale模型

这些湍流模型已经过广泛验证。

化学模块

化学模块可用于任何涉及到化学反应流动的应用。例如燃烧，推进，化学气相沉积，等离子加强的沉积或蚀刻，燃料电池，催化转化，生物医学应用等。

该模块提供两个计算化学组成的主要选项：

  1. Mixture-by-mixture approach: 求解混合物组分的输运方程
  2. Species-by-species approach: 求解每种组分的输运方程

有几种计算化学反应的选项。列表如下：

      Homogeneous Chemistry:可以是液体或气体。其他选项包括：
    • 平衡反应
    • 瞬时反应到平衡产物
    • 有限速率多步反应涉及任意数量的反应和组分
      Heterogeneous Chemistry:可以是液体或气体。其他选项包括：
    • 平衡反应
    • 有限速率多步反应涉及任意数目的反应和组分，包括表面吸收组分
    • 反应是热激活的(Arrhenius类型) 或电激活的 (Butler-Volmer类型)

      • Heterogeneous chemistry模型也适用于多孔介质内。

化学模块能够计算多组分系统extremely stiff 反应组。可以与流动、传热、等离子、电学和喷雾及其他模块耦合。包括LES在内的几个高级模型可用来处理湍流－化学的相互作用。

电化学模块

电化学模块可用于模拟大量的涉及酸、碱和两性电解质电离平衡的双分析系统问题。典型的系统包括受电场作用的缓冲液 (酸基对)和样本(分析物)。电化学模拟过程包括：

  • 酸基对和两性电解质的配对和离解
  • 水的自电离
  • 电中和条件下的电场分布

该模块可用于求解下列问题：

  • 毛细电泳(CE)
  • 毛细电泳/等速电泳 (CE-ITP)
  • 蛋白质的等离子聚焦
  • 堆垛两性电解质PH梯度的产生
  • 移动边界的电泳

电化学模块已经过广泛验证。并可与其他模块进行耦合提供复杂问题的多物理场求解。下侧的例子示意了微通道内通过堆积两性电解质和施加电场产生的PH梯度。

生物化学模块

生物化学模块能够模拟不同类型生物分子的总体流动和表面反应 (分析物－接受体相互作用，酶催化等)。下面是生物化学模块的特点：

  • 结合动力学
  • 表面反应模型
  • 环境反应模型
  • 酶催化
  • 基于微球体的免疫测定

分析物在流体域通过对流(或水平对流), 强迫漂移 (重力，电泳)和扩散发生输运。也被表面反应速率影响，局部改变与反应表面相邻的分析物浓度并建立浓度梯度。质量传输影响表面的结合，沿反应表面结合位置（或接受器附近）反应物的停留时间。这样反应物质量输送和表面结合过程相互间有复杂的依赖关系，并依赖于流动的几何模型，反应物扩散，表面反应速率常数等。生物化学模块在模拟反应物输送和表面反应现象时考虑这些因素。

喷雾/颗粒模块

喷雾(离散相)模块用于跟踪流体液滴或固体颗粒、气泡通过计算域的情况。下面是该模块的一些典型应用：

  • 气体涡轮燃烧室喷雾燃烧
  • 火箭发动机和内燃机燃料或氧化剂喷雾
  • 涂层应用中的热喷雾
  • 颗粒/浮质分离器
  • 干净房间的灰尘输送
  • 颗粒/材料沉淀系统
  • 微球体分析物粘合的免疫测定

通过求解拉格朗日坐标系下的控制质量、动量和能量守恒方程追踪离散相(液滴，颗粒，气泡) 。离散相允许进行质量(蒸发), 动量(阻力), 能量 (热) 和生物分析物(结合)与连续相(周围环境流体)。该模型可以建立考虑单向（连续相到离散相）或双向相耦合的情况。喷雾/颗粒模块已经过多个benchmark问题的验证成功用于很多燃烧和其他情况的应用。

气蚀模块

气蚀是主工作流体为液体状态的设备常见问题。例如火箭推进系统的涡轮泵，工业旋转机械，燃油注射器，静压轴承，水翼，船用螺旋桨，减震器，生物医学装置如机械心脏。它能够模拟气蚀流动在低压区域相变的多维模拟。该模型考虑所有重要的影响：

  • 相变
  • 气泡动力学
  • 湍流
  • 不可凝结气体的出现

它使用改进的气泡动力学Rayleigh-Plesset方程 获得蒸气产生的相变率和气蚀过程的凝结。它的气蚀模块经过了广泛的验证。

自由表面(VOF)模块

自由表面模块使用专用扩展的体积流体(VOF)方法来模拟两种不能混合流体的水动力学和传热，包括表面张力和重力作用。除了流动和传热模块外，自由表面模块可以与应力、应变、流体结构相互作用，电磁、静电和化学耦合使用。

应用包括容器晃动，浇注，填充，溢流，微装置，墨水喷射，生物装置，涂层，毛细流动。

功能：
    流体力学
  • 任意界面形状
  • 表面张力
  • 移动网格
  • 应力和应变分析
  • 牛顿/非牛顿粘度
  • 重力
    热传递
  • 可压缩(两种流体)
  • 动态接触角
  • 并行计算功能
  • e-mag模块连接
  • e-stat模块连接
  • 化学模块连接
  • 一个单元模型 (Hele Shaw)
    独特性
  • 能处理密度比达10000:1的问题
  • 可用于复杂几何模型的非结构网格
  • 提供两种级别上的表面重构（SLIC & PLIC)
  • 精确确定表面张力效应包括动态摩擦角
  • 从精度和速度的考虑自动控制时间步长
  • 求解两种流体的流动和传热

VOF模块已经过验证，可以与其他模块进行耦合提供复杂问题的真正多物理场求解

两相流模块

能够模拟很广范围的两相流，使用下列几种技术：

  • 欧拉拉格朗日(喷雾/颗粒模块)
  • 自由表面体积流(VOF模块)
  • 基于焓的凝固和熔化方法忽略速度滑移
  • 欧拉两流体模型

欧拉两流体模型模拟两流体的流动，作为连续的、散布的媒质(与两种连续的但离散相的自由表面或VOF模块对比)。这种方法也用于模拟单个连续相与另一种离散相。这种应用与喷雾/颗粒模块有些重叠的部分。典型的适合于两流体分析的情况包括：

  • 气泡流(气体和液体)
  • 颗粒流(固体和气体)
  • 油水分离器中的流动(液体和液体)

对两流体方法，求解两组守恒的方程，每一相一个组。该模型有几个不同选项来考虑两种流体间的相间阻力。它的两相功能经过有效验证有广泛应用。

电磁模块

利用有限体积形式准确求解标势/矢势麦克斯韦方程，预测场、波相关的电磁现象。电磁模块突出的特点是：

  • 时域和频域形式
  • 任意材料属性的定义
  • 计算麦克斯韦应力张量

一些最常见应用包括：

  • 天线的电磁场
  • 光学EM波传播, 衍射，散射等
  • 时变磁场导致的电场
  • 涡流
  • 洛仑兹力
  • 感应加热
  • 模拟感应耦合等离子

电磁功能已证实与其他的物理模型能够耦合，提供复杂问题真实的多物理场求解。

等离子模块

等离子模块能模拟非平衡等离子反应堆及其工艺过程的大量系统和操作条件（气体组成，从1mTorr到760Torr压力，等）。化学模块常用来模拟离子和中子类的传输以及定义电诱导速率的化学反应。动力模块可以用来考虑非麦克斯韦电子分布函数。

等离子模块有四个主要选项：

  • 感应耦合等离子（ICP） ICP项能解决电子温度的电子能量方程式。电子密度和静电场也可以从准中性条件中计算出来。电子加热可以通过电磁模块中的电磁场来获得。
  • 电容耦合等离子(CCP) 当选用CCP选项时，通过求解电子能量方程式和电子密度方程式来计算电子温度和电子数量密度。求解静电模块中的泊松方程可以求得静电场。
  • 正极区(PC) PC选项可以用来计算直流放电PC等离子的辐射构造。除了通过外部直流电场来产生电子加热外，这个选项类似于CCP选项。
  • GlobalGlobal模型用来快速模拟低压等离子，化学模型的敏感性分析及其电子动力学效应的分析。假定电荷损失和反应堆的活性根利用单元问题的建立到壁面的扩散控制。

等离子模块与扩展的等离子化学反应、横截面电子碰撞数据库和离子输送属性库一同出现。等离子模块在许多工业的众多领域已经被确认和使用。下边的图示展示了一些已经认可的例子和典型的应用。

结构力学和动力模块

应力模块增加了有限元结构分析功能。可以以单独的模式进行纯结构分析，或与其他模块进行多物理场耦合分析。很多情况下连同网格变形模块使用，允许网格变形并反馈给其他模块。当与其他模块耦合时(例如流动和静电)，从这些模块中计算的载荷自动施加到指定的边界上。

应力模块支持下列分析类型：

  • 静态或瞬态分析
  • 几何和材料非线性
  • 热弹性分析
  • 各向异性材料属性
  • 压电分析
  • 模态分析
  • 柔体/刚体和柔体/柔体接触分析

多物理场分析的级别由用户控制。例如流体－结构相互作用问题，流体求解器每5次迭代调用一次结构求解器，给流体求解器时间来按应力模块中计算结果调整网格变形。它的结构力学和动力学模块有大量成功的应用。