USim 专业电磁流体仿真软件


-- 高能量密度物理


    USim支持高能密度等离子体的模拟,可以支持常规的单流体磁流体方程,也可以处理霍尔磁流体模型,二流体模型等其他等离子体流体方程,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。非结构网格建模能力可以支持各种复杂外形和结构中的等离子体流动,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;也可以用于研究空间大尺寸等离子体的演化和流动,磁重联等等。


1. 磁化惯性约束聚变(MIF)模拟

    利用磁通压缩来提高激光聚变性能是一种惯性约束聚变的新设计思路。在这种设计中,圆柱形的聚变靶被激光压缩,冻结在靶柱体内的初始磁场从而随之被压缩增强。压缩后的强磁场可以降低电子热导率并更有效地约束alpha粒子,提供了附加的热绝缘并降低热核点火所需能量及内爆对称性。USim可以用于研究这种磁化流体在高温高压下的运动过程,并分析其中的不稳定性模式。下面是用USim研究MIF中瑞利-泰勒不稳定性的例子。


Rayleigh-Taylor with magnetic field

Linear stage growth from initial perturbations
Simulation of the RT growth in nonlinear stage


2. 等离子体喷流合并模拟

    利用多束等离子体喷流合并形成内爆,可以形成极高能量密度的状态。下面是一个20束等离子体合并内爆过程的模拟(Hsu, J. Fusion Energy,2008)。碰撞刚刚开始的时候压强就达到了20千巴,模拟在200*200*200的网格上进行。

  
实验原理图
    
Plasma Liner实验中的等离子体束合并模拟。
  
喷流的一维和二维密度切片


3. 场反位形和磁化靶聚变

    场反位形(Field Reversed Configuration ,FRC)是一种长寿命等离子体生成机制,是目前的磁化靶核聚变(MTF)的主要启动机制。USim在这个例子中用来研究磁场的重联和FRC构型的形成。


场反位形的概念和原理

实验设备

模拟的磁场和等离子体密度分布,6.4微秒

模拟的磁场和等离子体密度分布,16微秒

模拟的磁场和等离子体密度分布,40微秒


4. 稠密等离子体焦点模拟

    等离子体焦点(Plasma Focus)用于产生高温度高密度等离子体。模拟中,放电等离子体被从通道喷出并剧烈箍缩破碎,形成等离子体焦点区域。


模型结构

模拟区域和分块

等离子体密度分布的演化,从初始状态发展到2微秒,密度压缩了上千倍

等离子体温度分布的演化,可以看到在两微秒内温度上升了一个量级


5. 空间磁重联过程的模拟

    磁重联是地球空间物理中的关键性物理现象之一。利用USim的等离子体建模能力,可以实现对重联行为的详细模拟,并分辩各种物理效应的影响。下面是一个GEM磁重联过程的模拟,使用了等离子体的5-矩和10-矩(非各向同性离子压力)方程。模拟中可以看到考虑二流体行为和非各向同性压力影响的重要性。


初态:等离子体电流层

5矩模拟显示的重联过程:60个回旋周期后,电子的Z方向动量

10矩模拟显示的重联过程:60个回旋周期后,电子的Z方向动量


 

 

 

1.USim软件简介
2.基础理论研究
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