[发明专利]一种计算离子漏斗在低真空流体场下离子通过率的方法

说明书

本发明涉及一种计算离子漏斗在低真空流体场下离子通过率的方法包括：将测量的离子漏斗结构数据和载气气流量输入Fluent中计算得到对应结构模型和流体场；Simion导入Fluent计算得到的结构模型和流体场，这其中包括速度场，温度场，压力场等；Simion模拟离子光学并计算离子通过率。本发明建立了用于将Fluent软件计算得到的流体场导入离子光学Simion中进行仿真计算的方法，使用该方法有助于Simion进行低真空和常压下的离子光学模拟，离子通过率的计算有助于指导离子漏斗的设计和气流设置，对于质谱的离子传输和工程应用都具有一定的指导意义。

技术领域

本发明涉及数值仿真计算领域，更具体地说是一种计算离子漏斗在低真空流体场下离子通过率的方法。

背景技术

Computational Fluid Dynamics(CFD)软件是用来计算气体或液体的流动的程序，需要输入详细的边界条件，而输出的是压力，温度，速度和密度等和位置相关的函数。CFD计算软件是基于Navier-Stokes方程，同时基于各种流动模型和假定参数，来模拟各种连续气体或液体的流动状况。Fluent是目前国际上比较流行的商用CFD软件包，在美国的市场占有率为60％，凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法和强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气和涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。然而，由于Fluent不具备电场计算的能力，所以对于一些复杂电场存在的案例，需要进一步借助编写udf文件来定义，大大降低了工程模拟的进度。

对于低真空或常压下的离子光学运动，一直是人们感兴趣的热点。随着计算机技术和模拟软件的发展，大量的拟合模型已经被发展用于描述离子在电场或者气流场中的运动。一些知名的拟合软件包，例如ITSIM，GEMIOS，microDMX，Simion等被用于离子轨迹的拟合。Simion本身不是一款CFD软件，它是一款基于windows的广泛应用于离子光学模拟的软件，它可以计算在高真空中的2D和3D电场和磁场，同时拟合得到离子的轨迹，然而，要在常压环境下模拟离子的运动轨迹是十分困难的。但是，Simion可以导入CFD计算得到参数，从而用于流体流动中的离子追踪。

通过编写特定程序，实现高效的将Fluent等CFD软件中计算得到的流体数据导入Simion软件中将会大大促进低真空和常压下的离子光学模拟，对于科学研究和工程应用都具有一定的指导意义。众所周知，Fluent中使用流行的FEM(finite element methods)方法来划分网格，用每个四面体或六面体中心的物理化学性质来代表该有限元的性质，再通过微积分的方式形成模型的整体的参数。通过提取这些参数，然后利用插值法可以形成Simion可以读取的“电势场”阵列，分别为gas_p.pa,gas_t.pa,gas_vx.pa,gas_vy.pa,andgas_vz.pa，这些场通过SDS算法可以在Simion模拟时被调用。

Anthony D.Appelhans和David A.Dahl在2005年编写了SDS碰撞算法(statistical diffusion simulation)，该算法可以用来模拟带电粒子在常压下电场中运动，简言之，它是将Stokes的粘度定律结合在真空中粒子运动上。SDS使用离子的质量(amu)和直径(nm)，以及中性气体分子的质量和直径，还有温度场，压力场去估计离子的平均热运动速度和平均自由程，SDS然后使用这些因子和现在的积分时间步长去估测现在时间步下的碰撞次数。

发明内容

本发明的目的在于将真实离子漏斗结构模型和载气导入Fluent软件计算得到的流体场，将流体场数据和电压设置导入离子光学Simion中进行仿真计算离子漏斗的离子通过效率的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种计算离子漏斗在低真空流体场下离子通过率的方法，包括以下步骤：

对离子漏斗的真实结构模型以及进入离子漏斗的载气流速进行测量；