La prima cosa da fare è dunque creare una geometria che rappresenti la porzione di spazio nel quale le particelle si muoveranno.
Dunque si è modellato in ambiente CREO PTC® il volume interno dell’apparato sperimentale che viene posto in condizioni di alto vuoto durante i test: in sostanza si è disegnato il “negativo” della camera, della cella di Knudsen e dei tubi, fino alla sezione in corrispondenza della bocca della pompa turbomolecolare. Sono stati rimossi i puntali, le viti, i connettori i tantalio e tutte le parti meccaniche irrilevanti ai fini della simulazione. Si deve poi considerare che le geometrie saranno poi esportate in formato STL, e che quindi saranno sostanzialmente suddivise in triangoli: geometrie troppo complicate diventano in questo modo molto difficili da gestire ed è dunque preferibile eliminarle dal modello.
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Fig. 6.14 (a) Modello geometrico della porzione di spazio nel quale le particelle si muovono. (b) Particolare della cella di Knudsen modellata per le analisi in MOLFLOW®.
Una volta generato il modello è necessario esportarlo in formato STL al fine di poterlo importare in MOLFLOW.
L’STL (STereo Lithography interface format) è un formato di file binario o ASCII utilizzato soprattutto nell’ambito della prototipazione rapida.
Un file .stl rappresenta un solido la cui superficie è stata discretizzata in triangoli, e consiste nelle coor-dinate X, Y, Z ripetute per ciascun vertice di ogni triangolo e di un vettore per descrivere l’orientazione della normale alla superficie.
Questo formato è molto facile da generare e processare, ma presenta una geometria molto approssimata: per questo risulta necessario in fase di esportazione prestare attenzione e cercare di non generare un file STL troppo approssimato.
Quando si importa un file STL in MOLFLOW, la prima cosa da definire è l’unità di misura.
Come spiegato in precedenza, tale formato suddivide la geometria in triangoli. Ora, triangoli adiacenti che si trovano sullo stesso piano possono essere fusi, ottenendo in questo modo una geometria più ma-neggevole ed una simulazione più veloce.
Inoltre, ciascun vertice del sistema è descritto molteplici volte: se è comune a tre triangoli adiacenti è descritto ben 3 volte. Pertanto è possibile unirli e descrivere tale vertice una unica volta.
L’operazione che consente di fare ciò è detta collapse.
In breve, fare il collapse di una geometria significa usare solo la quantità di facets strettamente necessa-ria: questo è molto importante dato che il tempo richiesto per calcolare un urto è proporzionale al loro numero.
Sono state poi aggiunte tre superfici di controllo quadrate di lato 5 cm, rispettivamente a 10 mm, 15 mm e 20 mm di distanza dalla superficie superiore della cella di Knudsen, necessarie per definire la forma del cono di effusione.
Capitolo 6
Fig. 6.15 Modello geometrico in MOLFLOW®
Una volta importata la geometria è necessario definire dove le particelle sono inserite o create e le pro-prietà delle pompe e delle superfici dove saranno assorbite.
Dunque si procede selezionando le aree di interesse e assegnando i parametri relativi, detti facet para-meters.
Sulle superfici della camera e dei tubi si è imposta una temperatura pari a 293,15°K ed una opacità pari ad 1. L’opacità è la probabilità (da 0 ad 1) che una particella che passi attraverso un elemento lo colpi-sca. Ad esempio può essere usata per simulare un piano che ha fori sul 20% della superficie impo-nendo un’opacità dell’80%. È utile per definire facets trasparenti per misurare la pressione su piani ar-bitrari.
Sulla superficie che definisce la bocca di aspirazione della pompa turbomolecolare si è imposta una temperatura di 293,15°K, uno sticking factor di 1 ed una volumetric pumping speed pari a 261,439 l/s. Una faccia che possiede uno sticking factor diverso da zero assorbe particelle, ovvero le pompa via. Il pompaggio è impostato tramite due parametri che sono tra loro correlati: lo sticking factor e la volu-metric pumping speed.
Lo sticking factor è la probabilità (da 0 ad 1) che una particella che colpisce la superficie dell’elemento venga assorbita.
La volumetric pumping speed è convertita in sticking factor prima di venire applicata. Se sono selezionate più superfici, allora per la conversione verrà considerata la somma delle velocità di pompaggio.
La conversione è effettuata utilizzando la seguente formula:
𝑣𝑜𝑙𝑢𝑚𝑒𝑡𝑟𝑖𝑐 𝑝𝑢𝑚𝑝𝑖𝑛𝑔 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 =𝑓𝑎𝑐𝑒𝑡 𝑎𝑟𝑒𝑎∗𝑎𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒 𝑚𝑜𝑙𝑒𝑐𝑢𝑙𝑒 𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑∗𝑠𝑡𝑖𝑐𝑘𝑖𝑛𝑔 𝑓𝑎𝑐𝑡𝑜𝑟
4 dove la velocità media delle molecole dipende dalla massa del gas e dalla temperatura.
Sulle superfici della cella di Knudsen si è imposta una temperatura di 993,15°K ed una opacità pari ad 1. Sulla superficie interna alla cella sulla quale viene depositato il campione di materiale si è applicata an-che una condizione di generazione di particelle, scegliendo l’opzione cosine (coseno) nella casella desor-btion (desorbimento) ed impostando un outgassing (degassamento) pari a 0,02 mbar*l/s.
Quando viene impostato il desorbimento, le particelle sono desorbite da punti scelti casualmente della superficie dell’elemento. Se esso ha 1 solo lato le particelle voleranno nella direzione della normale alla faccia, se invece possiede due lati esse voleranno in entrambe le direzioni. La distribuzione angolare dipende dal tipo di desorbimento che si imposta:
113 - Uniforme: le particelle sono emesse in tutte le direzioni con uguale probabilità a tutti gli angoli;
- Coseno: segue la legge di Lambert per la quale la probabilità che le particelle lascino la superficie con un certo angolo è proporzionale al coseno di tale angolo. Questo significa che le particelle lasceranno con maggiore probabilità la superficie perpendicolarmente ad essa;
- CosenoN: come prima, ma la probabilità è proporzionale ad un esponente N-esimo del coseno. Il valore di outgassing serve per poter calcolare la pressione (che è proporzionale al rate di degasaggio) e per aiutare MOLFLOW a calcolare la densità di desorbimento (quando esso avviene su più superfici). Sulle superfici di controllo, infine, si è impostata una opacità nulla, in modo tale che le particelle le attra-versino senza urtare su di esse.