冷（低温）等离子体建模

非局部热平衡（非 LTE）等离子体描述了一种体内电子比背景气体具有更高热能的等离子体。尽管电子具有较高热能，但是等离子体的总温度仍对应于背景气体的温度 — 因为电子在比例上比气体颗粒小得多。因此，此类等离子体称为冷（低温）等离子体。在 Simcenter STAR-CCM+ 中，可以使用耦合等离子体电子模型对冷（低温）等离子体建模。

  1. 对于在其中对等离子体建模的流体区域，编辑 [物理连续体]，确保激活自动选择推荐模型，并选择以下模型：
    组合框 模型
    空间 任何
    时间 隐式非稳态或稳态
    材料 气体或者多组分气体
    反应期 非反应
    可选模型 等离子体
    启用模型 耦合等离子体电子模型（自动选择）
    电磁（自动选择）
    梯度（自动选择）
    静电势（自动选择）
    流体 耦合流体
    启用模型 耦合组分（自动选择）
    耦合能量（自动选择）
    状态方程 理想气体
    粘滞态 层流
  2. 根据需要选择任何其他可选模型：
    • 要对等离子体中的离子建模，还需要选择电化学模型 — 系统会自动选择电化学组分模型。
    • 当介电表面暴露于离子流和/或电子流时，介电表面与气体/等离子体之间的交界面处可能会出现电荷累积。如果要对交界固体进行建模以考虑此类电荷累积，则在流体连续体中选择电荷累积模型。请参见电荷累积模型参考。
继续设置流体连续体：
  1. 选择 [物理连续体] > 模型 > 耦合等离子体电子节点，并设置其属性。请参见耦合等离子体电子模型属性。
  2. 展开耦合等离子体电子 > e- > 材料属性节点，并指定等离子体中电子的迁移率和分子扩散率的值。耦合等离子体电子模型使用所设置的这些值对传输方程进行求解。
  3. 选择气体或者多组分气体节点，然后：
    1. 指定等离子体中背景气体的气体组分。请参见：管理单成分材料或管理混合物成分。
    2. 对于每种气体成分，展开[气体] > [气体成分] > 材料属性节点，并设置其属性。确保指定弹性电子碰撞横截面。
    3. 如果选择了多组分气体模型，还可以设置组合气体成分的多组分气体 > 材料属性。
  4. 选择模型 > 梯度节点，然后将限制器法设为 MinMod。
  5. 如果为离子建模选择了电化学组分模型：
    1. 选择模型 > 电化学组分节点，并设置其属性。请参见电化学组分模型属性。
    2. 要指定电化学组分分量，右键单击电化学组分 > 电化学组分分量节点，然后选择选择混合物组分或导入组分。
    3. 选择电化学组分分量后，定义每个电化学组分分量的材料属性。请参见电化学组分分量属性。
如有必要，设置任何固体连续体。
  1. 对于与气体/等离子体交界的任何固体区域，编辑 [物理连续体]，确保激活自动选择推荐模型，并选择以下模型：
    组合框 模型
    空间 任何
    材料 固体
    时间 隐式非稳态或稳态
    可选模型 电磁
    电磁 静电势
    根据需要选择任何其他可选模型：
    • 要对交界面上的电荷累积进行建模，对于与要在其中对电荷累积进行建模的等离子体连续体交界的每个固体连续体，选择电荷累积模型。
  2. 要在交界面上激活电荷累积，确保在交界气体/等离子体和固体区域的物理连续体中选择电荷累积模型，然后选择交界面 > [交界面] > 物理条件 > 表面电荷累积节点并将选项设为活动。
    将交界面设为电荷累积交界面时，将移除该交界面上的所有其他条件，并将该交界面的所有关联边界声明为电荷累积交界面。
  3. 指定以下节点的条件和相应值：
    • 连续体 > [连续体] > 初始条件
      具体而言：
      • 电子数密度

        对于大多数冷（非热）等离子体，适当的值介于以下值之间： 1.0 ⁢   E 12 和 1.0 ⁢   E 16

      • 电子温度

        对于大多数冷（低温）等离子体，适当的值介于 0.3 - 2.0 eV 之间

    • 区域 > [区域] > 物理条件
      具体而言：
      • 电子能密度源选项

        当要定义电子能量密度源项 S ∈ ,   u s r （用于计算能量密度传输方程 Eqn. (4186) 的集合电子能量密度源项 Eqn. (4193)）时，激活此属性。

      • 电子源选项

        当要定义电子源项 S e ,   u s r （用于确定数密度传输方程 Eqn. (4184) 中电子数密度 Eqn. (4192) 的总体源项贡献）时，激活此属性。

    • [区域] > 边界 > [边界] > 物理条件
      具体而言：
      • 电子数密度指定
      • 电子热能指定
    请参见：耦合等离子体电子模型参考主题。
  4. 设置任何所需的监视器、绘图和场景。
    例如，可以监视：
    • e- 的数密度
    • 电子温度

    作为进一步的示例，Simcenter STAR-CCM+ 中的以下标量场景显示了在压力 133Pa 下的化学气相沉积过程室中电子数密度和电子温度的分布。



  5. 选择停止条件 > 最大步数节点，并设置最大步数。
  6. 运行模拟。