低温等离子体放电模拟软件VORPAL
RFPA用户手册
章节
第一章
内容 RFPA’2D的理论基础概述
对象
所有用户
第二章
安装RFPA 2D及软硬件要求 所有用户
热 键…………………………………1.1 RFPA方法要点
岩石（岩体）是地质、采矿、石油、水利等部门经常涉及的最基 本的天然材料。天然的岩体是非连续、非均质、非弹性、各向异性的 介质。它具有时效性、记忆性和对环境的依赖性。尽管经典力学推衍 了诸多的理论公式，但面对复杂的工程岩体材料仍显得无能为力。在 许多实际工程当中，依据理想化的模式计算出的诸如岩体变形、破坏 和强度等与实际相差甚远。煤矿岩爆、瓦斯突出、采场顶板垮落、水 坝开裂、岩土边坡失稳、地震等众多灾害性事故的发生，不仅给国家 和人民财产造成了巨大损失，同时也表明，人类目前尚缺乏对岩石（岩 体）材料的不规则性、复杂性和物理力学非线性本质的认识和解决这 些问题的方法，致使许多岩石力学问题无法定量或定性地予以解释和 分析。
第三章 第四章 技术支持
RFPA’2D的工作平台概述、
菜单、工具箱等功能、命令 描述
对Windows环境需要进一步学习
和要掌握RFPA’2D的用户
结合具体算例，讲述使用 RFPA’2D的关键问题，列举 具体算例
想运用RFPA’2D软件系统的用户
提供在使用RFPA’2D过程中 所有用户
可能遇到的问题及解决办 法
RFPA用户手册
(中文版)
东北大学岩石破裂与失稳研究中心 2003.10.1
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低温等离子体放电模拟软件VORPAL
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电磁模型和cutting-cell
• 当边界面是个曲面的时候，需要特别注意，直接用锯齿的矩形网格去逼 近，对于电磁模型会带来很大的误差 • 处理这种情况的标准做法是局部细化网格或者在边界处采用梯形近似， 后者如图：
• 在边界处用梯形或者三角形边界求和来代替标准的差分程序：
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Multifield和ComboField
• • • • 对于更复杂的问题，VORPAL提供MultiField和ComboField模式 在模拟中可能需要自定义的外部电磁场（比如外加磁场等等） 甚至可能需要和其他物理场耦合 MultiField允许用户自己写出独立的场定义和推进公式，修改标准的 FDTD算法或者加入别的物理场 • 最早的例子发展于托卡马克射频加热模拟：
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磁化射频腔的二次电子击穿
• 加有磁场的射频谐振腔内，电子被加速并且轰击壁面产生出二次电子， 随着电子倍增，最终发生击穿：
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场致发射模型
• 对电极表面加高压，就可能有电子从电极表面逸出。VORPAL支持电子 的CL模型和Richardson-Dushman模型，Fowler-Nordheim模型。
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粒子建模:网格加热和高阶粒子插值
• VORPAL允许使用5阶的插值函数对粒子的电荷电流进行插值。这种平 滑化大大降低了网格自加热的速度，在几千个等离子体周期内仍然无需 担心自加热。
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可变权重和粒子合并
• 当处理带有雪崩过程的放电行为时，粒子数会快速增加导致模拟失败 • 解决方法是使用可变权重的粒子，当粒子数太多的时候，就增大粒子的 权重而控制粒子数 • 早期的解决方法是随机砍掉一半粒子并将粒子的权重加倍，这种方法会 带来很严重的随机噪声和自加热问题 • Lapenta等提出了将同一网格内的粒子合并来控制粒子数的方法 • VORPAL目前同时支持三种权重控制的方法 – 1.随机丢弃小权重粒子 – 2.将两个粒子合并成一个，保持动量和电荷守恒 – 3.将四个粒子合并成两个，保持能量动量和电荷守恒
低温等离子体和稀薄气体模拟软件Pegasus应用领域
PEGASUSSoftware PEGASUS 专业低温等离子体和稀薄气体模拟软件PEGASUS软件特征PEGASUS专注于稀薄气体的直接蒙特卡洛模拟和低气压放电等离子体模拟，是真空技术、等离子体技术、薄膜技术、微电子技术、微细加工技术的专业数值模拟软件，能广泛应用于微电子中刻蚀、沉积和溅射设备，真空泵的优化设计，MEMS的工艺过程设计，再入飞行器等领域的研究，应用行业涵盖电子/半导体、新材料(纳米管、光纤)、新能源(燃料电池、太阳能光伏)、MEMS、光学、陶瓷、食品/饮料、汽车、航天、金属加工等领域。
PEGASUS是为真空技术领域的工程师设计的专业软件；PEGASUS可以模拟真空薄膜技术中多种基本物理和化学过程；PEGASUS能实现从大型设备气相过程模拟（米级）到微观区域的特征轮廓模拟（纳米级）；PEGASUS能实现基于PIC和流体混合模式的放电模拟；PEGASUS由多个不同功能的模块构成，通过模块组合，能够实现对实际工艺过程的有效模拟。
PEGASUS软件主要应用范围1. 真空设备与稀薄气体模拟多种真空设备中的稀薄气体动理学和粘性流模拟真空蒸镀设备中的气体流动和薄膜厚度演化模拟稀薄气体中的纳米粒子微尺度下的原子与分子行为2. 等离子体设备模拟等离子体刻蚀设备与等离子体增强化学气相沉积设备中等离子体特性ICP (金属/多晶硅/MEMS刻蚀、介质膜沉积)CCP (氧化物刻蚀/太阳能电池或微电子薄膜)磁控溅射设备中等离子体和溅射粒子特性3. 放电模拟磁控溅射/空心阴极/表面放电/介质阻挡放电电子束与离子束的产生与输运基于等离子体的离子注入等离子体表面改性微放电/微等离子体4. 特征轮廓模拟物理气相沉积化学气相沉积等离子体干法刻蚀PEGASUS软件主要模块和特征1. 基本模块GUIM (Graphical User Interface Module)图形界面模块提供全部其他模组的操作界面Atomic/Molecular database提供电子/离子/中性气体中的截面数据与输运系数TTBEQ (Two-term approximation Boltzmann equation)✧基于两项近似展开的波尔兹曼方程，求解电子输运系数；✧输出结果可以作为PHM模块的输入参数。
低温等离子体技术在VOCs和恶臭异味治理领域的应用.doc
低温等离子体技术在VOCs和恶臭异味治理领域的应用双介质阻挡放电低温等离子体在VOCs及恶臭异味治理领域的应用摘要DDBD技术采用双介质阻挡放电（Double Dielectric Barrier Discharge，简称DDBD）形式产生等离子体，所产生等离子体的密度是其他技术产生等离子体密度的1500倍，该技术是派力迪公司与复旦大学共同研发成功的。
自1994年由复旦大学开始研发，后来与派力迪合作研发，应用于工业恶臭、异味、有毒有害气体处理。
派力迪开创了DDBD技术大规模化工业应用的先河，该技术节能、环保，应用范围广，所有化工生产环节产生的恶臭异味几乎都可以处理，并对二恶英有良好的分解效果。
关键词VOCs处理；恶臭处理；DDBD低温等离子1.前言山东派力迪环保工程有限公司（简称派力迪公司）多年致力于双介质阻挡放电（DDBD）等离子体设备（简称DDBD设备）的研发及工程应用。
自1994年第一台等离子原理样机诞生以来，为了提高设备的运行稳定性、降低设备的制造成本、提高能量利用率、减少设备的运行费用、扩大设备的应用范围等，进行了无数次的改进，从2000年第一代工程应用产品到2014年的第五代产品，从套管式发展为排级式，目前DDBD设备单台处理能力达到了10万方/小时。
在DDBD设备工程应用方面，从2008年中石化齐鲁分公司腈纶厂废气治理工程开始，至今已经完成了120多个废气治理项目，涵盖了石油化工、农药行业、医药行业、皮革行业、造纸行业、食品行业等，治理的污染物质有酸类、醇类、醛类、硫化物、烯烃、烷烃、芳香烃、酚类、有机胺类、酮类、酯类、杂环类等挥发性有机物。
2.DDBD设备工作原理2.1 DDBD设备概念低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质第四态，当外加电压达到气体的放电电压时，气体被击穿，产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。
放电过程中虽然电子温度很高，但重粒子温度很低，整个体系呈现低温状态，所以称为低温等离子体。
安世亚太仿真软件在低压电器行业中的解决方案
安世亚太仿真软件在低压电器行业中的解决方案
刘源
【期刊名称】《低压电器》
【年(卷),期】2008(000)017
【摘要】介绍了安世亚太仿真软件在低压电器行业中的各种应用.阐述了该仿真软件在低压电器及其部件的结构分析、电磁场分析、热分析、散热分析、EMC分析、疲劳寿命分析、优化设计和多体动力学分析,并提出了基于ANSYS的电器分析专
用模块的开发.安世亚太仿真软件为低压电器产品研发提供了强有力的工具和完整
的解决方案.
【总页数】4页(P56-59)
【作者】刘源
【作者单位】安世亚太科技,北京,有限公司上海分公司,上海,200120
【正文语种】中文
【中图分类】TP319
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1.帝斯曼喜获第三届艾唯奖“低压电器行业最佳供应商”为中国可持续发展做出贡献——专访帝斯曼工程塑料亚太区商务总监Matt Gray先生 [J], ;
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3.协同之势造就平台之美——访安世亚太汽车研发技术解决方案业务总监徐劼勇博士 [J], 龚淑娟
4.“低压电器行业研发中的新方法、新技术”培训的讲师和内容已确定 [J],
5.安世亚太荣赝“2010中国软件影响力百强”称号 [J],
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辉光放电光源磁场增强仿真研究
辉光放电光源磁场增强仿真研究摘要：为了研究磁场对辉光放电等离子体的影响，利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件，基于磁流体力学方程对耦合磁场的辉光放电等离子体进行仿真研究，得到磁场作用下的带电粒子运动轨迹、等离子体密度及放电腔内的化学反应速率。
结果表明，磁场的引入使放电腔内带电粒子运动轨迹更加复杂，电子密度的最大值有所提高。
电子聚集区域向阴极表面靠近。
此外，还发现电子聚集区域的径向尺寸增大，轴向尺寸减小。
关键词：辉光放电；等离子体；磁场；增强；仿真1 引言辉光放电是一种低气压下的惰性气体放电现象。
在真空腔体中充入约0.1~10 Torr的惰性气体（如氩气），阴极施加负高压（一般为500 V~1500 V）、阳极接地，即可产生辉光放电现象。
辉光放电作为一种有效的离子化和原子化光源，产生的等离子体属于非热平衡状态低温冷等离子[1,2]。
受阴极样品材料溅射阈值、离化后的惰性气体离子能量、角度等因素的影响，辉光放电溅射速率较低。
阴极样品原子化后进入负辉区的激发率也极低，有文献称辉光放电等离子体内的样品原子（团）的激发率不足0.1%[3]。
磁场的作用下，等离子体中的电子绕阴极样品表面的磁力线做拉摩运动，电子运动路径变长，与氩原子的碰撞概率增加，产生更多的氩离子轰击样品表面，最终导致溅射速率的增加。
此外，磁场的引入降低了电子的迁移率和扩散率，将电子限制在阴极表面。
在上述理论基础的支撑下，提出通过在样品表面引入磁场的方式，对辉光放电光源进行增强研究。
2 仿真结果和分析通过COMSOL Multiphysics软件，比照课题组自行搭建的辉光放电光源的实际尺寸构建了直流辉光放电的简化几何模型，如图3-1所示。
图中圆柱体表示深度为8 mm、孔径为15 mm的阳极筒，即辉光放电发生域。
下方的长方体表示两块竖直排列的NdFeB永磁体。
相邻永磁体之间间隔为1.5 mm，与圆柱体底面之间的距离为3 mm。
低温等离子体放电模拟软件VORPAL.ppt
• 放电过程的模拟，原理上就是PIC-MCC。即用标准的PIC算法处理等离 子体运动，用蒙特卡洛方法模拟粒子之间的碰撞。但相比于其他问题的 PIC模拟，放电问题存在一些特有的问题
– 1. Grid Heating问题更严重：在放电过程中存在电离碰撞，网格自 加热主要的不会提高等离子体温度，而是增加电离率提高等离子体 密度，提高的等离子体密度进一步加强了Grid Heating。
– 2.模拟时间很长，由于放电特征时间主要决定于电离截面和离子渡越 时间，而这两者涉及到微秒甚至毫秒的时间间隔
– 3.常常是静电模型的，而静电场方程的全局特性使其高效并行十分困 难，于是计算性能问题变得非常严重。
– 4.放电腔室和电极结构都可具有复杂的几何形状，因此必须具有对复 杂几何外形建模的能力。此外，考虑到电磁波的反射，在曲线部分 应该能够避免阶梯逼近
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静电模型和求解器
• 在低频放电过程中常常需要使用静电模型对于电磁场进行建模，静电模 型在理论上很简单，就是求解Poisson方程
• 但实践中并行求解Poisson方程是相当复杂的事情，因为Poisson求解 器总是全局的，从而很难写出一个高效率的并行程序
• 此外，对于复杂外形，构造有效的Poisson求解器也很困难 • VORPAL使用Trilinos库进行静电模型求解，这个求解器允许
• 此时，可以使用针对电磁场的隐格式时间步推进来处理电磁场建模
• VORPAL目前支持两种电磁场隐格式模拟：yeeImplicit模型和ADI模型 ，前者使用稀疏矩阵求解Maxwell方程；后者使用变形（针对DeyMittra网格以及PIC）的ADI方法。
• 尽管ADI-FDTD本身非常简单，但在PIC中使用的电磁场推进算法必须 能够保持散度误差守恒，否则会出现虚假解：
低温等离子体技术的应用与改进
低温等离子体技术的应用与改进低温等离子体技术是一种新型的物理处理技术，它是在低于5000K的气体环境下产生的等离子体。
着眼于其独特的特性，低温等离子体技术应用已经广泛地应用在各种工业应用领域，包括纺织、食品加工、汽车制造、电子设备制造等，同时还有医疗用途，如皮肤病治疗。
在应用方面，低温等离子体技术有很大的改进空间，现将从其应用和改进方面分别进行探讨。
一、低温等离子体技术的应用1.纺织方面低温等离子体技术可以用于棉、纤维素、涤纶等纤维物质如表面修饰、染色、除污、抗菌等方面，其优点在于低温处理和对环境无毒污染的影响小。
棉纤维纹理柔软，易表面弯曲复杂，低温等离子体技术可以更好地处理这些过程。
在面料染色方面，低温等离子体技术具有湿法染色固色性好、颜色更鲜亮、较少染料浸渍量、少水、少处理过程等优势。
此外，还可以用于表面物质处理，例如持久除菌，如缓解气味问题。
2.福利食品类福利食品，如干辣椒、各种海鲜等，因为水分含量高，单位质量的脂肪、蛋白质等含量较多，当食物放置一段时间后，很容易变质。
目前已经有几家企业开始使用低温等离子体技术进行食品加工，因其可以杀灭细菌达到保鲜效果。
同时，该技术在食品加工中具有环保优势，使用过程中没有致癌的有害物质，对环境污染更少。
因此低温等离子体技术具有巨大的潜力开发成为福利食品的理想加工处理技术。
3.汽车制造类低温等离子体技术可以应用于汽车制造工业领域，例如制造复合材料、切割机械零件、支撑材料、车身表面涂层等等。
低温处理可以确保汽车制造的各种技术参数，如固定大小、强度信息和表面质量等。
另外，低温等离子体技术制造的复合材料采用不同的树脂基质和增强材料，适合不同的性能和特性，可以应用于汽车、机器、电子等复杂有机体系结绳的开发。
同时，低温等离子体技术应用于汽车制造还可以利用其环保性能为环境保护做出更多的贡献。
二、低温等离子体技术的改进1.提高技术稳定性低温等离子体技术因其体系中含有较高能量的带电粒子和电磁波而导致极容易发生反应的难以控制的情况，因此，未来的改进需要提高稳定性。
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更多的例子
• 在微波和射频设备中，实现了大量的复杂外形的例子：
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implicit FDTD及相关问题
• 在放电问题中，我们可能只关心低频电磁波，此时如果继续使用标准的 FDTD模型，则CFL条件会限制时间步长取值，导致极大的计算资源开 销：
ct / x 1
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电介质行为
• 在介质阻挡放电和闪络研究中，都需要处理介质中的电磁场。 • VORPAL允许在电磁场求解中加入介电常数和磁导率，无论电磁还是静 电模型： – <Dielectric kapton> – <STFunc function> – kind = expression – expression =DIE_ELEC_CONST*Dielectric_fun(x,y)+1. – </STFunc> – </Dielectric> • 技术上，也可以允许电荷沉积在电介质表面。
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放电过程的PIC模拟
• 放电过程一般来说是碰撞和电离过程主导的。由于电子-背景气体碰撞 截面和电离截面都依赖于能量，因此能量分布函数会强烈地影响放电行 为。 • 一般来说，碰撞几率较高的时候，能量分布为Maxwellian。而碰撞几 率低且粒子能量较高的时候，分布会强烈偏离麦克斯韦形式，于是需要 动理学模拟。 • 在放电问题中存在另一个麻烦，即边界面行为。边界条件的复杂使得问 题的处理变得更加困难。 • 因为涉及到动理学和边界行为，低气压放电等离子体问题常常需要PIC 模拟。 • 此外，涉及到壁面二次电子等行为的放电问题，例如multipacting等过 程也需要PIC模拟。
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主要困难
• 放电过程的模拟，原理上就是PIC-MCC。即用标准的PIC算法处理等离 子体运动，用蒙特卡洛方法模拟粒子之间的碰撞。但相比于其他问题的 PIC模拟，放电问题存在一些特有的问题 – 1. Grid Heating问题更严重：在放电过程中存在电离碰撞，网格自 加热主要的不会提高等离子体温度，而是增加电离率提高等离子体 密度，提高的等离子体密度进一步加强了Grid Heating。 – 2.模拟时间很长，由于放电特征时间主要决定于电离截面和离子渡越 时间，而这两者涉及到微秒甚至毫秒的时间间隔 – 3.常常是静电模型的，而静电场方程的全局特性使其高效并行十分困 难，于是计算性能问题变得非常严重。 – 4.放电腔室和电极结构都可具有复杂的几何形状，因此必须具有对复 杂几何外形建模的能力。此外，考虑到电磁波的反射，在曲线部分 应该能够避免阶梯逼近 – 5.能够处理粒子数的雪崩
VORPAL 概述
• • • • VORPAL 是Tech-X公司开发的等离子体PIC模拟程序。 2004年，JCP 文章 2004年，Nature 封面文章 从2004年以来，经过多个版本更新，已经发展为一个具有多种功能扩 展的等离子体综合模拟程序
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The concept of PIC algorithms
error E ( jt ) / 0
– 对于显格式的Yee推进，散度误差是自然守恒的，但大部分ADIFDTD算法并不保证这一点。
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散度守恒和虚假解
• 利用散度守恒模式和简单的ADI-FDTD模式进行计算，可以看到明显的 虚假解被消除了。下面是一束粒子经过一段时间自由运动后出现的结果 ，左面的结果是在非守恒格式下计算，很快散度误差已经大于束流的实 际电荷密度，于是束流发生虚假的发散。而在散度守恒模式下计算，没 有出现这个问题：
• 此时，可以使用针对电磁场的隐格式时间步推进来处理电磁场建模 • VORPAL目前支持两种电磁场隐格式模拟：yeeImplicit模型和ADI模型 ，前者使用稀疏矩阵求解Maxwell方程；后者使用变形（针对DeyMittra网格以及PIC）的ADI方法。 • 尽管ADI-FDTD本身非常简单，但在PIC中使用的电磁场推进算法必须 能够保持散度误差守恒，否则会出现虚假解： – PIC只推进两个旋度方程，因此原则上散度误差并不能保证不变
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Multifield和ComboField
• • • • 对于更复杂的问题，VORPAL提供MultiField和ComboField模式 在模拟中可能需要自定义的外部电磁场（比如外加磁场等等） 甚至可能需要和其他物理场耦合 MultiField允许用户自己写出独立的场定义和推进公式，修改标准的 FDTD算法或者加入别的物理场 • 最早的例子发展于托卡马克射频加热模拟：
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Cutting-cell与CAD import
• 这种方法称为Dey-Mittra Conformal FDTD。 • 为了运用这种技术，需要能在软件中导入复杂外形数据 • VORPAL引入CAD STL import功能来实现这一点：用户可以用CAD软 件产生一个stl文件，然后用vorpal导入，就可以作为一个金属表面来使 用。ing-cell
• 当边界面是个曲面的时候，需要特别注意，直接用锯齿的矩形网格去逼 近，对于电磁模型会带来很大的误差 • 处理这种情况的标准做法是局部细化网格或者在边界处采用梯形近似， 后者如图：
• 在边界处用梯形或者三角形边界求和来代替标准的差分程序：
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静电模型和求解器
• 在低频放电过程中常常需要使用静电模型对于电磁场进行建模，静电模 型在理论上很简单，就是求解Poisson方程 • 但实践中并行求解Poisson方程是相当复杂的事情，因为Poisson求解 器总是全局的，从而很难写出一个高效率的并行程序 • 此外，对于复杂外形，构造有效的Poisson求解器也很困难 • VORPAL使用Trilinos库进行静电模型求解，这个求解器允许 – 1.支持ICCG,B-Jacobi,AMG等多种预条件 – 2.提供CG，BiCGSTAB，GMRES，CGS等多种求解器 – 3.内嵌了并行算法，可以在各种并行体系下运行 – 4.无缝支持Dirichlet和Neumann边界条件及其组合