USim 专业电磁流体仿真软件


    USim软件是专业的电磁流体仿真软件,求解含化学反应的等离子体流体模型,支持等离子体、高超声速流体、化学反应流体运动的模拟。可以仿真高能量密度等离子体(Z-Pinch、Laser ICF、FRC、等离子体焦点)、高超声速电磁流体(再入、黑障、导流减阻)、天体物理(磁重联、吸积盘)、热放电等离子体(等离子体炬、电弧、毛细管放电)等领域中的高端科研模型。非结构网格建模能力可以处理各种复杂的几何结构,能够研究相关商业和国防项目中的重要物理问题。

USim软件的典型应用范围包括:

  • 1) 高能量密度物理
  • - Laser ICF
  • - Z-Pinch
  • - FRC
  • - 稠密等离子体焦点
  • 2) 高超声速流体
  • - 再入、黑障
  • - 导流、减阻
  • 3) 热/放电等离子体
  • - 电弧/等离子体炬
  • - 等离子体助燃
  • - 等离子体风洞
  • - 等离子体喷涂
  • - 毛细管放电
  • 4) 天体物理
  • - 磁重联
  • - 吸积盘


1. Tech-X公司介绍

    美国Tech-X公司由John R. Cary博士创立,总部设在美国科罗拉多州博尔德市,是专业的等离子技术软件供应商。公司的产品和技术紧跟等离子体领域的最新科研成果,是该领域全球最大的商业化软件技术公司。公司以技能的专业化和技术的创新性为最终追求,同时致力于创造能够实现大规模计算以及更好理解物理过程的软件产品,即在台式机到超级计算机各类计算机系统上,均能实现与等离子体物理、聚变、加速器技术相关的物理系统和过程的模拟,以增加对复杂物理现象的认识。公司软件与技术在美国多个国家级实验室得到应用,并承担了能源、国防部门的多项课题。自锦科公司将其引进国内以来,众多国内客户对软件表达了浓厚的兴趣并取得成功应用。
    Tech-X公司的产品主要包括电磁粒子仿真软件VSim和电磁流体仿真软件USim。
    VSim软件提供的独特物理模型涵盖整个等离子体和射频领域的仿真问题,借助于VSim强大的并行算法,诸多应用领域问题得以求解,例如激光等离子相互作用、高功率微波器件、真空电子器件、脉冲功率、高压放电、加速器等。VSim软件支持从笔记本、台式机到超级计算机,从单核到数万核并行的多操作系统平台。
    USim软件是支持等离子体、高超声速流体、化学反应流体模拟的专业电磁流体仿真软件,是求解高超声速流体力学、高能密度物理、天体物理、热等离子体与电气工程等领域复杂问题的高端工具。


2. USim软件功能模块

    USimBase模块适用于流体和等离子体基本问题模拟。USimBase版提供简单几何下欧拉方程和理想磁流体方程的求解器。通过对一些经典问题,如激波管、Kelvin-Helmholtz不稳定性、Rayleigh-Taylor不稳定性、磁化Z箍缩等问题的求解,用户可以获得对流体和等离子体物理及其数值模拟基本概念的理解。

关于Kelvin - Helmholtz不稳定性线性增长结束段的模拟,图中给出密度分布。 关于Rayleigh - Taylore不稳定性线性增长结束段的模拟,图中给出密度分布。 不稳定磁化Z箍缩非线性段的模拟密度分布。
非结构网格可压缩超声速流密度分布。 非结构网格可压缩超声速流马赫数。

    USimHS (Hypersonics)模块可以用于研究外层大气中的多组分等离子体流动问题,包括多组分流动、高速粘性流体以及等离子体物理等特性,是目前唯一用于研究这类问题的商业化电磁流体模拟软件。USim HS提供了超音速等离子体的流体模拟能力,特别适合于飞行器再入的黑障研究和超音速飞机设计。它支持对粘性流体、多组分流、多离子等离子体的建模。非结构网格建模能力可以处理各种复杂的几何结构,能够跟踪相关商业和国防项目中的重要物理问题。

绕柱超音速层流的模拟,显示了弓形激波的产生及稳定尾流。 RAMC再入飞行器的模拟,使用了七种组分的化学反应。
3D钝头物体再入模拟,包含了再入的攻角和化学反应。

    USimHEDP(High energy density plasmas)模块用于高能密度物理模型,研究物质在极高温度和压力下的行为。USim提供尖端的模拟算法来处理这些极端条件下的物理问题。无论你研究的是磁重联还是内爆物理,USim HEDP都是唯一可以用于这类高能密度物理问题的商业化程序。

GEM二流体磁重联模拟。 Plasma Liner实验中的等离子体束合并模拟。

USimHS和USimHEDP的联合应用:

USimHS和USimHEDP联用用来处理同时具有中性流和等离子体流以及电磁场的流动-化学反应问题。这包含电磁波在复杂流体中的传播、电弧和等离子体炬等重要工程问题。

飞行器黑障通讯过程的3D模拟,跟踪电磁波在黑障附近的传播。
2D轴对称等离子体炬仿真,图中显示了稳态炬的分布。
模块 功能 应用
USimBase 基础理论研究和教育 对等离子体基础理论问题的分析。
USimHS 超声速流体力学,高超声速飞行器设计,再入和黑障形成 可以用于研究外层大气中的多组分等离子体流动问题,包括多组分流动、高速粘性流体以及等离子体物理等特性,是目前唯一用于研究这类问题的商业化电磁流体模拟软件。
可以模拟多组分超声速气体的流动,并允许用户跟踪仿真各种化学反应:离解、化合、电离和复合,能够分析高超声速条件下的气体加热和等离子体形成,特别适合于飞行器再入的黑障形成研究和高超声速飞行器设计。
USimHEDP 高能密度物理,受控核聚变,天体和地球物理,电气工程 用于高能密度物理模型,研究物质在极高温度和压力下的行为。这种能力非常适合研究磁重联和内爆物理。是唯一可以用于这类高能密度物理问题的商业化程序。
可以处理包含电磁波传播和衍射在内的问题,即用(磁)流体力学计算出等离子体形成,耦合上电磁信号的传播,用来研究雷达信号在再入飞行器表面的反射衍射。流体力学计算等离子体分布,而电磁场计算用来跟踪微波信号的传播。
可以用于黑障相关实验设备的研究,如研究等离子体从各种喷管喷出及碰到目标物体表面的流动过程,黑障条件下微波的传播,雷达波的衍射等。


3. USim基本概念

    基本方程:守恒律方程,如Euler,磁流体方程,Maxwell方程等等

    Euler方程:

    理想MHD方程:

    Maxwell方程:

    上述方程中修改源项即可形成N-S方程、反应扩散方程等。
    写出源项后,USim可以使用结构化或者非结构化网格(Gmsh格式)求解方程,使用MUSCL和WAVE来捕捉激波。


4. USim功能特征

4.1 基本流体力学特性

  • a) 标准流体力学方程(Euler方程,N-S方程)、磁流体方程(单流体,二流体,霍尔磁流体)求解
  • b) 高分辨率激波捕捉算法
  • c) 支持结构和非结构网格、贴体网格。基于GMSH格式的非结构化网格以及ExodusII格式的3维非结构网格的大规模并行运算
  • d) 二方程RANS湍流模型
  • e) 支持直角坐标和柱坐标

4.2 化学和多组分流体仿真

  • a) 多组分多温度流体(含多组分等离子体),含组分间的碰撞输运
  • b) 组分间的化学反应,支持用户自定义的化学反应方程和反应系数
  • c) 中性流体和等离子体的混合流动
  • d) 固体壁面的热烧蚀

4.3 电磁场仿真

  • a) 支持在流体计算中耦合Maxwell方程组,研究电磁波在等离子体中的传播
  • b) 3维Poisson方程求解器支持非线性和各项异性系数,可在三维非结构网格上求解静电或扩散问题。

4.4 专门应用

  • a) 黑障通讯问题及地面实验的第一原理模型研究
  • b) 电弧和等离子体炬的完整等离子体模拟能力


5. USim应用范围和目标

一、基础理论研究和教育
    USim作为专业的电磁流体仿真软件,可以简单快速地处理流体力学和磁流体力学中的基本方程。这种能力可以用于教育目的,如让学生快速理解计算流体力学和磁流体模拟的基本过程,流体力学的一些基本概念和理论等;也可以用于分析流体力学中的各种基本过程和不稳定性,对理论研究提供参考。
二、高能密度物理

    USim支持高能密度等离子体的模拟,并可以导入物态方程支持对极高温度和压力下的过程模拟。可以用于各种受控聚变问题中研究等离子体的形成和演化,如托卡马克、惯性约束和磁化惯性约束、磁化靶聚变、等离子体焦点等。
三、高超声速流体

    在高速飞行器进入高层大气时,由于运动速度极高(>20马赫),会与空气剧烈摩擦而达到极高温度(>10000K),发生分子解离和电离,形成很高浓度的自由基和电子-离子等离子体。这种等离子体会阻断电磁波的传播,称为黑障。USim能够研究多种组分气体的高超声速流动,跟踪仿真流动中发生的化学反应和电离、复合过程,并允许用户自定义各种物态方程和化学反应、电离率。可以用于研究再入过程中的加热和黑障的形成。此外,USim还具有跟踪微波在黑障区传播和衍射的能力,能够对黑障问题进行更详细和全面的分析。可以用于高超声速飞行器设计、飞行器再入过程的研究。
四、天体物理和地球物理

    USim可以研究大尺度等离子体的流动和电磁过程。这种能力可以用于研究空间等离子体和电离层的行为,包括磁重联等复杂行为。
五、热等离子体和电气工程

    USim具有热放电等离子体的能力,在研究中可以同时分析等离子体流动,气体运动和化学反应、等离子体形成。这种功能用于研究电弧、等离子体炬、等离子体风洞等设备。

 

 

 

2.基础理论研究
3.高能量密度物理
4.高超声速流体
5.天体物理与地球物理
6.热放电等离子体
7.等离子体流动控制