VSim 专业电磁粒子仿真软件


-- 多物理场仿真应用

VSim具有将其FDTD模块扩展为多物理场FDM模拟的能力,即多物理场的时域有限差分法仿真。这可以用于处理各种包含电磁场的多物理场问题,并且可以根据用户的要求进行定制和二次开发。


1. VSim在磁约束聚变研究中的应用

利用δf-Particle-in-Cell模拟方法,VSim可以对托卡马克等离子体进行全动理学(Fully kinetic)的建模,不再需要局域近似,并且消除了一般PIC方法中的噪声问题。


2. δf-PIC模拟

为了处理磁约束聚变问题,VSim引入了在回旋动力学模拟中经常使用的δf-PIC模拟,即将分布函数分成一个基本的背景分布和一个扰动,然后对扰动进行PIC建模的方法。这种方法因为背景分布是解析给出的,所以可以大大降低PIC模拟的随机噪声,能够有效地研究托卡马克中的波-波相互作用,特别在等离子体边界(Edge)部分,δf-PIC模拟能够分辨很多重要的物理过程,尤其是能量转换等,是一种非常重要的仿真手段。

下图为电磁波转化为EBW的过程,一维δf模拟和完整PIC模拟得到的电场,可以看到δf模拟能够大大压低模拟噪声。左右分别是电磁波的横向电场和等离子体振荡的纵向电场。

在下面的例子中,利用VSim的δf模拟方法研究了电磁波和电子Bernstein波(EBW)之间的转换,其中,入射波被转换成为两倍频率的EBW(PRL 100, 085002(2008)):


入射等离子体的密度分布
 

纵向电场的驱动模(上)和倍频模(下)强度


3. 用于NSTX的天线-边界层相互作用的研究

VSim提供对FDTD模型进行修正和增加新的控制方程的能力,这种扩充可以保持处理复杂电磁结构和外形的能力。下面的例子是利用这种能力建立新的时域等离子体模型,对托卡马克装置NSTX的天线-边界层相互作用进行详细的三维研究。模拟中跟踪了等离子体边界层在射频时间标度下的行为,并且处理了复杂的天线外形。 (Physics of Plasmas 14, 056104 (2007))


对边界层的三维建模
 

边界层模拟的鞘层模型

复杂几何形状的导入

由于工程中特别是聚变相关实际设备的形状非常复杂,常常需要直接进行CAD建模。VSim具有直接导入电磁目标物体的CAD模型的能力。下面的样例是利用VSim导入托卡马克装置NSTX复杂天线模型并进行仿真:

VSim模拟结果

 


4. 射频腔耦合器的电磁场-热场耦合仿真

超导射频腔的耦合部分由于电磁场能量沉积会产生局部加热,VSim的多物理场处理技术可以用于研究这类热场-电磁场耦合过程,研究热流分布和局部热点。(Integrated EM & thermal simulation with VORPAL software, Vacuum Electronics Conference (IVEC), 2012 IEEE Thirteenth International, page 27)

 

温度分布

 

 

1.VSim软件简介
2.激光等离子体作用
3.微波源与微波器件研究
4.高电压放电与脉冲功率设备
5.加速器应用
6.放电等离子体与材料处理
7.航天与空间等离子体研究
8.复杂介质中的电磁波
9.雷达与天线设计