VSim 專業電磁粒子仿真軟件


-- 多物理場仿真應用

VSim具有將其FDTD模塊擴展為多物理場FDM模擬的能力,即多物理場的時域有限差分法仿真。這可以用於處理各種包含電磁場的多物理場問題,並且可以根據用戶的要求進行定製和二次開發。


1. VSim在磁約束聚變研究中的應用

利用δf-Particle-in-Cell模擬方法,VSim可以對托卡馬克等離子體進行全動理學(Fully kinetic)的建模,不再需要局域近似,並且消除了一般PIC方法中的噪聲問題。


2. δf-PIC模擬

為了處理磁約束聚變問題,VSim引入了在回旋動力學模擬中經常使用的δf-PIC模擬,即將分布函數分成一個基本的背景分布和一個擾動,然後對擾動進行PIC建模的方法。這種方法因為背景分布是解析給出的,所以可以大大降低PIC模擬的隨機噪聲,能夠有效地研究托卡馬克中的波-波相互作用,特別在等離子體邊界(Edge)部分,δf-PIC模擬能夠分辨很多重要的物理過程,尤其是能量轉換等,是一種非常重要的仿真手段。

下圖為電磁波轉化為EBW的過程,一維δf模擬和完整PIC模擬得到的電場,可以看到δf模擬能夠大大壓低模擬噪聲。左右分別是電磁波的橫向電場和等離子體振蕩的縱向電場。

在下麵的例子中,利用VSim的δf模擬方法研究了電磁波和電子Bernstein波(EBW)之間的轉換,其中,入射波被轉換成為兩倍頻率的EBW(PRL 100, 085002(2008)):


入射等離子體的密度分布
 

縱向電場的驅動模(上)和倍頻模(下)強度


3. 用於NSTX的天線-邊界層相互作用的研究

VSim提供對FDTD模型進行修正和增加新的控製方程的能力,這種擴充可以保持處理複雜電磁結構和外形的能力。下麵的例子是利用這種能力建立新的時域等離子體模型,對托卡馬克裝置NSTX的天線-邊界層相互作用進行詳細的三維研究。模擬中跟蹤了等離子體邊界層在射頻時間標度下的行為,並且處理了複雜的天線外形。 (Physics of Plasmas 14, 056104 (2007))


對邊界層的三維建模
 

邊界層模擬的鞘層模型

複雜幾何形狀的導入

由於工程中特別是聚變相關實際設備的形狀非常複雜,常常需要直接進行CAD建模。VSim具有直接導入電磁目標物體的CAD模型的能力。下麵的樣例是利用VSim導入托卡馬克裝置NSTX複雜天線模型並進行仿真:

VSim模擬結果

 


4. 射頻腔耦合器的電磁場-熱場耦合仿真

超導射頻腔的耦合部分由於電磁場能量沉積會產生局部加熱,VSim的多物理場處理技術可以用於研究這類熱場-電磁場耦合過程,研究熱流分布和局部熱點。(Integrated EM & thermal simulation with VORPAL software, Vacuum Electronics Conference (IVEC), 2012 IEEE Thirteenth International, page 27)

 

溫度分布

 

 

1.VSim軟件簡介
2.激光等離子體作用
3.微波源與微波器件研究
4.高電壓放電與脈衝功率設備
5.加速器應用
6.放電等離子體與材料處理
7.航天與空間等離子體研究
8.複雜介質中的電磁波
9.雷達與天線設計