پروژه شبیه سازی کامسول

جزئیات شبیه‌سازی سنتز نانولوله‌های کربنی چنددیواره (MWCNTs) به روش پلاسما در COMSOL   برای شبیه‌سازی دقیق این فرآیند در نرم‌افزار COMSOL Multiphysics، باید چندین فیزیک و شرایط مرزی به‌طور همزمان تعریف شوند. در اینجا پارامترهای حدودی برای تنظیم مدل ارائه شده‌اند.    1. طراحی هندسه‌ی سیستم   مدل راکتور شامل موارد زیر است:   - محفظه‌ی استوانه‌ای یا مستطیلی با طول حدودی 50-100 mm و قطر 20-50 mm   - الکترودهای بالا و پایین برای ایجاد میدان الکتریکی (فاصله بین آن‌ها: 5-20 mm)   - ورودی گاز در بالا و خروجی گاز در پایین برای کنترل جریان هیدروکربن و محصولات واکنش   - سطح کاتالیست (لایه‌ای از نانوذرات فلزی روی یک بستر) در نزدیکی الکترود پایین    2. ماژول‌های مورد استفاده   1. Plasma Module → برای مدل‌سازی تخلیه پلاسما و توزیع ذرات باردار   2. Chemical Reaction Engineering Module → برای بررسی واکنش‌های یونیزاسیون و رشد نانولوله‌ها   3. Heat Transfer Module → برای تحلیل گرمای تولید شده توسط پلاسما   4. CFD (Computational Fluid Dynamics) Module → برای مدل‌سازی جریان گازهای ورودی و خروجی   3. شرایط مرزی (Boundary Conditions)    الف) شرایط مرزی برای پلاسما   - الکترود بالا (کاتد - ورودی ولتاژ RF یا DC):     - DC Plasma: ولتاژ در بازه 200-500 V     - RF Plasma: فرکانس 13.56 MHz و توان 50-300 W     - مدل Debye sheath برای شبیه‌سازی میدان الکتریکی در نواحی نزدیک به الکترودها   - الکترود پایین (آند - زمین شده یا بایاس شده با ولتاژ منفی برای بهبود رشد نانولوله‌ها)   - دیواره‌های راکتور: شرایط عایق الکتریکی (Insulating boundary) برای جلوگیری از فرار الکترون‌ها    ب) شرایط مرزی برای جریان گازها   - ورودی گاز:     - ترکیب گازها:       - هیدروکربن: متان (CH₄)، اتان (C₂H₆) یا استیلن (C₂H₂) → 10-50%       - گاز حامل: آرگون (Ar) یا هیدروژن (H₂) → 50-90%     - فشار کاری: 1-10 Torr (در روش RF) یا 100-500 mTorr (در روش مایکروویو)     - سرعت ورودی: 10-100 cm/s   - خروجی گاز:     - شرایط Outflow یا Zero Pressure برای تخلیه‌ی محصولات واکنش    ج) شرایط مرزی برای انتقال حرارت   - محفظه: رسانایی گرمایی در محدوده 5-50 W/m·K بسته به جنس راکتور   - الکترودها: توزیع گرما به دلیل تخلیه‌ی پلاسما (دمای الکترود بالا ممکن است تا ******* K افزایش یابد)   - کاتالیست: دمای نانوذرات فلزی باید در محدوده ******* K باشد تا رشد نانولوله‌ها رخ دهد   - شرایط خنک‌سازی: در دیواره‌ها از شرایط Heat Flux یا ثابت نگه‌داشتن دما استفاده می‌شود    د) شرایط مرزی برای واکنش‌های شیمیایی و رشد نانولوله‌ها   1. واکنش‌های پلاسمایی:     - یونیزاسیون گازهای هیدروکربنی (مثلاً: CH₄ → CH₃⁺ + e⁻)      - تفکیک رادیکالی و تشکیل گونه‌های فعال کربنی   2. واکنش‌های سطحی روی کاتالیست:\*\*      - جذب گونه‌های فعال کربنی      - واکنش روی سطح نانوذرات فلزی و رشد نانولوله‌ها      - نرخ رشد نانولوله‌ها تابعی از چگالی پلاسمایی و دمای سطح است   4. تنظیمات عددی و حل معادلات - مدل‌سازی به‌صورت Stationary برای تحلیل پایدار و Time-Dependent برای بررسی رشد در زما   - روش حل: FEM (روش المان محدود) با استفاده از حل‌کننده‌های غیرخطی  - ریز کردن مش در نواحی بحرانی (نزدیک به الکترودها و سطح کاتالیست) 5. نتایج مورد انتظار   پس از اجرای شبیه‌سازی، نتایج زیر را تحلیل می‌کنیم:   1. توزیع چگالی الکترون‌ها و یون‌هادر محیط پلاسما   2. دمای سطح کاتالیست و توزیع حرارتی در راکتور 3. نرخ تجزیه‌ی هیدروکربن و غلظت گونه‌های فعال  4. مکانیزم و سرعت رشد نانولوله‌های کربنی 5. اثر پارامترهایی مانند توان ورودی، فشار و ترکیب گازها روی کیفیت نانولوله‌ها جمع‌بندی در این شبیه‌سازی، از مدل‌های پلاسما، انتقال جرم، انتقال حرارت و واکنش‌های شیمیایی استفاده می‌شود تا فرآیند رشد نانولوله‌ها در حضور پلاسما و کاتالیست فلزی بررسی شود. تنظیم دقیق پارامترها و شرایط مرزی کمک می‌کند تا تأثیر عوامل مختلف بر رشد نانولوله‌ها را بهینه‌سازی کنیم.