USim 专业电磁流体仿真软件


-- 高超声速流体


    USim可以用于研究中性气体和等离子体的(高)超声速流动。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。可以用于研究各种包含化学反应和等离子体在内的气体超声速流动过程。此外,USim还具有跟踪微波在等离子体中传播和衍射的能力。这些能力使得USim适合于研究高超声速飞行器的再入和黑障形成;飞行器的等离子体导流和减阻;高速飞行物体的气动加热等。


1. 超声速绕柱流动模拟

     超声速流体绕柱流动是计算流体力学中的标准验证问题之一。下面是USim模拟马赫数为2的粘性流体绕圆柱的流动,显式了弓形激波的产生和稳定尾流。

网格绕流和尾流


2. 气动加热模拟

    气动加热对飞行器设计和电磁炮弹的设计都很重要。下面是一个概念性的示例,一个子弹形状的物体以高速飞行并和空气接触,空气被剧烈加热,并由于高热导致氮和氧分解甚至形成等离子体,模拟中使用了7种化学组分。可以看到不同速度下的温度分布和自由基(N,O,NO)及电子密度分布,在23马赫飞行时可以看到气体温度升高到16000K,并有明显的等离子体形成,而在12马赫时温度和等离子体密度要低得多,7马赫时几乎没有等离子体形成。

分布 23马赫 12马赫 7马赫
温度
氮原子
氧原子
NO
电子密度


3. 高超声速飞行器再入和黑障形成

    高超声速飞行器再入大气层时,气流由于剧烈压缩和摩擦,温度上升到超过一万度,高温导致气体分子解离和电离,在飞行器附近形成等离子体层。当等离子体密度很高的时候,就会隔断飞行器的无线电通讯,并且折射衍射雷达波影响雷达对飞行器的定位,这就是黑障现象。
    下面是钝头飞行器再入大气层的外流模拟,模拟条件为61km及71km高的大气,一个速度为7600m/s的钝头物体再入,模拟中使用了7种化学反应模型及电离过程,并使用了来自NASA的比热数据和部分实验数据。可以看到,由于强烈的加热,导致了大约1020/m3的等离子体形成。

61km高空, 23马赫N2、O2、NO、N、O、NO+、e-密度分布
71km高空, 25马赫N2、O2、NO、N、O、NO+、e-密度分布
USim模拟的峰值温度,激波峰值温度达到13500K
等离子体电子密度分布,用于研究黑障克服


4. 黑障中的电磁波传播

    黑障会隔断电磁波信号,对于这个问题的详细研究需要进行电磁波在等离子体中传播的精确模拟。USim可以对电磁波在等离子体中的传播进行时域模拟,用来研究通讯和雷达信号的传播和吸收。在下面的模拟中,根据上一个模拟建立的等离子体密度分布,进行了1.65GHZ电磁波传播的模拟。左右分别是电磁场的x和y分量。可以看到等离子体受激产生的x方向电场和电磁波本身的电场衍射。

3D仿真结果:


5. 磁喷管内流动的模拟

    磁喷管用来形成等离子体和中性气体的高速喷流。首先由电弧发生器产生出等离子体,然后在加速电压和导流磁场作用下形成高速喷流,这可以进行等离子体绕流研究。
    下面是磁喷管实验原理图和模拟的流场,等离子体发生器是个真空弧设备,阳极加电压加速并用线圈磁场引导等离子体流动,等离子体和背景中性气体快速喷出。实验中中性气体mach ~10,等离子体V~2万米/秒。

设备示意图,发射等离子体的部分就是磁喷管
流场和马赫数 磁喷管设备图 离子数密度


6. 黑障实验与仿真

    利用磁喷管可以对黑障过程进行地面模拟。方法是将磁喷管输出的高速气流喷射到目标物体上,并用探针测量等离子体分布。下面是设备结构示意图和模拟结果,实验等离子体密度约为1.4*1018/m3,模拟结果为2*1018/m3


设备结构

目标物体和测量探针

模拟区域和并行分块

等离子体流场

中性流场

模拟的离子密度

电荷密度

电子密度

电子密度的径向分布(仿真值与测量值)


7.哨声波穿透黑障仿真

(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, Vol. 52, No. 3, 2015 )

    为减弱黑障的影响,设计在飞行物中加入磁场发生器,使得哨声波可以穿透黑障进入黑障内部,从而在一定程度上克服黑障。USim电磁流体建模能力用于计算磁场对黑障附近电磁波传播的影响。



8. 雷达散射截面(RCS)

    雷达散射截面(Radar Cross section,缩写RCS)的分析与预估一直是电磁场理论研究的一个重要课题,是雷达隐身技术中最关键的概念,它表征了目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量。先使用USim软件仿真RAM-C II飞行器再入大气层离子体鞘套的形成,然后使用VSim软件仿真电磁波传播(频率1GHz)并计算RCS。


等离子体分布(USim仿真结果)

电磁波的传播(VSim仿真结果)

RCS(z-)

RCS(z-)

RCS(xz)

RCS(yz)

 

 

1.USim软件简介
2.基础理论研究
3.高能量密度物理
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