پروژه شبیه سازی کامسول

---

شرح پروژه

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 500-1000 K افزایش یابد)  

- کاتالیست: دمای نانوذرات فلزی باید در محدوده 600-1000 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.

این پروژه شامل 1 فایل مهم است، لطفا قبل از ارسال پیشنهاد حتما نسبت به بررسی این فایل اقدام فرمایید.

مهارت ها و تخصص های مورد نیاز

---

---