USim 專業電磁流體仿真軟件


    USim軟件是專業的電磁流體仿真軟件,求解含化學反應的等離子體流體模型,支持等離子體、高超聲速流體、化學反應流體運動的模擬。可以仿真高能量密度等離子體(Z-Pinch、Laser ICF、FRC、等離子體焦點)、高超聲速電磁流體(再入、黑障、導流減阻)、天體物理(磁重聯、吸積盤)、熱放電等離子體(等離子體炬、電弧、毛細管放電)等領域中的高端科研模型。非結構網格建模能力可以處理各種複雜的幾何結構,能夠研究相關商業和國防項目中的重要物理問題。

USim軟件的典型應用範圍包括:

  • 1) 高能量密度物理
  • - Laser ICF
  • - Z-Pinch
  • - FRC
  • - 稠密等離子體焦點
  • 2) 高超聲速流體
  • - 再入、黑障
  • - 導流、減阻
  • 3) 熱/放電等離子體
  • - 電弧/等離子體炬
  • - 等離子體助燃
  • - 等離子體風洞
  • - 等離子體噴塗
  • - 毛細管放電
  • 4) 天體物理
  • - 磁重聯
  • - 吸積盤


1. Tech-X公司介紹

    美國Tech-X公司由John R. Cary博士創立,總部設在美國科羅拉多州博爾德市,是專業的等離子技術軟件供應商。公司的產品和技術緊跟等離子體領域的最新科研成果,是該領域全球最大的商業化軟件技術公司。公司以技能的專業化和技術的創新性為最終追求,同時致力於創造能夠實現大規模計算以及更好理解物理過程的軟件產品,即在台式機到超級計算機各類計算機係統上,均能實現與等離子體物理、聚變、加速器技術相關的物理係統和過程的模擬,以增加對複雜物理現象的認識。公司軟件與技術在美國多個國家級實驗室得到應用,並承擔了能源、國防部門的多項課題。自澳門威尼斯人導航網址公司將其引進國內以來,眾多國內客戶對軟件表達了濃厚的興趣並取得成功應用。
    Tech-X公司的產品主要包括電磁粒子仿真軟件VSim和電磁流體仿真軟件USim。
    VSim軟件提供的獨特物理模型涵蓋整個等離子體和射頻領域的仿真問題,借助於VSim強大的並行算法,諸多應用領域問題得以求解,例如激光等離子相互作用、高功率微波器件、真空電子器件、脈衝功率、高壓放電、加速器等。VSim軟件支持從筆記本、台式機到超級計算機,從單核到數萬核並行的多操作係統平台。
    USim軟件是支持等離子體、高超聲速流體、化學反應流體模擬的專業電磁流體仿真軟件,是求解高超聲速流體力學、高能密度物理、天體物理、熱等離子體與電氣工程等領域複雜問題的高端工具。


2. USim軟件功能模塊

    USimBase模塊適用於流體和等離子體基本問題模擬。USimBase版提供簡單幾何下歐拉方程和理想磁流體方程的求解器。通過對一些經典問題,如激波管、Kelvin-Helmholtz不穩定性、Rayleigh-Taylor不穩定性、磁化Z箍縮等問題的求解,用戶可以獲得對流體和等離子體物理及其數值模擬基本概念的理解。

關於Kelvin - Helmholtz不穩定性線性增長結束段的模擬,圖中給出密度分布。 關於Rayleigh - Taylore不穩定性線性增長結束段的模擬,圖中給出密度分布。 不穩定磁化Z箍縮非線性段的模擬密度分布。
非結構網格可壓縮超聲速流密度分布。 非結構網格可壓縮超聲速流馬赫數。

    USimHS (Hypersonics)模塊可以用於研究外層大氣中的多組分等離子體流動問題,包括多組分流動、高速粘性流體以及等離子體物理等特性,是目前唯一用於研究這類問題的商業化電磁流體模擬軟件。USim HS提供了超音速等離子體的流體模擬能力,特別適合於飛行器再入的黑障研究和超音速飛機設計。它支持對粘性流體、多組分流、多離子等離子體的建模。非結構網格建模能力可以處理各種複雜的幾何結構,能夠跟蹤相關商業和國防項目中的重要物理問題。

繞柱超音速層流的模擬,顯示了弓形激波的產生及穩定尾流。 RAMC再入飛行器的模擬,使用了七種組分的化學反應。
3D鈍頭物體再入模擬,包含了再入的攻角和化學反應。

    USimHEDP(High energy density plasmas)模塊用於高能密度物理模型,研究物質在極高溫度和壓力下的行為。USim提供尖端的模擬算法來處理這些極端條件下的物理問題。無論你研究的是磁重聯還是內爆物理,USim HEDP都是唯一可以用於這類高能密度物理問題的商業化程序。

GEM二流體磁重聯模擬。 Plasma Liner實驗中的等離子體束合並模擬。

USimHS和USimHEDP的聯合應用:

USimHS和USimHEDP聯用用來處理同時具有中性流和等離子體流以及電磁場的流動-化學反應問題。這包含電磁波在複雜流體中的傳播、電弧和等離子體炬等重要工程問題。

飛行器黑障通訊過程的3D模擬,跟蹤電磁波在黑障附近的傳播。
2D軸對稱等離子體炬仿真,圖中顯示了穩態炬的分布。
模塊 功能 應用
USimBase 基礎理論研究和教育 對等離子體基礎理論問題的分析。
USimHS 超聲速流體力學,高超聲速飛行器設計,再入和黑障形成 可以用於研究外層大氣中的多組分等離子體流動問題,包括多組分流動、高速粘性流體以及等離子體物理等特性,是目前唯一用於研究這類問題的商業化電磁流體模擬軟件。
可以模擬多組分超聲速氣體的流動,並允許用戶跟蹤仿真各種化學反應:離解、化合、電離和複合,能夠分析高超聲速條件下的氣體加熱和等離子體形成,特別適合於飛行器再入的黑障形成研究和高超聲速飛行器設計。
USimHEDP 高能密度物理,受控核聚變,天體和地球物理,電氣工程 用於高能密度物理模型,研究物質在極高溫度和壓力下的行為。這種能力非常適合研究磁重聯和內爆物理。是唯一可以用於這類高能密度物理問題的商業化程序。
可以處理包含電磁波傳播和衍射在內的問題,即用(磁)流體力學計算出等離子體形成,耦合上電磁信號的傳播,用來研究雷達信號在再入飛行器表麵的反射衍射。流體力學計算等離子體分布,而電磁場計算用來跟蹤微波信號的傳播。
可以用於黑障相關實驗設備的研究,如研究等離子體從各種噴管噴出及碰到目標物體表麵的流動過程,黑障條件下微波的傳播,雷達波的衍射等。


3. USim基本概念

    基本方程:守恒律方程,如Euler,磁流體方程,Maxwell方程等等

    Euler方程:

    理想MHD方程:

    Maxwell方程:

    上述方程中修改源項即可形成N-S方程、反應擴散方程等。
    寫出源項後,USim可以使用結構化或者非結構化網格(Gmsh格式)求解方程,使用MUSCL和WAVE來捕捉激波。


4. USim功能特征

4.1 基本流體力學特性

  • a) 標準流體力學方程(Euler方程,N-S方程)、磁流體方程(單流體,二流體,霍爾磁流體)求解
  • b) 高分辨率激波捕捉算法
  • c) 支持結構和非結構網格、貼體網格。基於GMSH格式的非結構化網格以及ExodusII格式的3維非結構網格的大規模並行運算
  • d) 二方程RANS湍流模型
  • e) 支持直角坐標和柱坐標

4.2 化學和多組分流體仿真

  • a) 多組分多溫度流體(含多組分等離子體),含組分間的碰撞輸運
  • b) 組分間的化學反應,支持用戶自定義的化學反應方程和反應係數
  • c) 中性流體和等離子體的混合流動
  • d) 固體壁麵的熱燒蝕

4.3 電磁場仿真

  • a) 支持在流體計算中耦合Maxwell方程組,研究電磁波在等離子體中的傳播
  • b) 3維Poisson方程求解器支持非線性和各項異性係數,可在三維非結構網格上求解靜電或擴散問題。

4.4 專門應用

  • a) 黑障通訊問題及地麵實驗的第一原理模型研究
  • b) 電弧和等離子體炬的完整等離子體模擬能力


5. USim應用範圍和目標

一、基礎理論研究和教育
    USim作為專業的電磁流體仿真軟件,可以簡單快速地處理流體力學和磁流體力學中的基本方程。這種能力可以用於教育目的,如讓學生快速理解計算流體力學和磁流體模擬的基本過程,流體力學的一些基本概念和理論等;也可以用於分析流體力學中的各種基本過程和不穩定性,對理論研究提供參考。
二、高能密度物理

    USim支持高能密度等離子體的模擬,並可以導入物態方程支持對極高溫度和壓力下的過程模擬。可以用於各種受控聚變問題中研究等離子體的形成和演化,如托卡馬克、慣性約束和磁化慣性約束、磁化靶聚變、等離子體焦點等。
三、高超聲速流體

    在高速飛行器進入高層大氣時,由於運動速度極高(>20馬赫),會與空氣劇烈摩擦而達到極高溫度(>10000K),發生分子解離和電離,形成很高濃度的自由基和電子-離子等離子體。這種等離子體會阻斷電磁波的傳播,稱為黑障。USim能夠研究多種組分氣體的高超聲速流動,跟蹤仿真流動中發生的化學反應和電離、複合過程,並允許用戶自定義各種物態方程和化學反應、電離率。可以用於研究再入過程中的加熱和黑障的形成。此外,USim還具有跟蹤微波在黑障區傳播和衍射的能力,能夠對黑障問題進行更詳細和全麵的分析。可以用於高超聲速飛行器設計、飛行器再入過程的研究。
四、天體物理和地球物理

    USim可以研究大尺度等離子體的流動和電磁過程。這種能力可以用於研究空間等離子體和電離層的行為,包括磁重聯等複雜行為。
五、熱等離子體和電氣工程

    USim具有熱放電等離子體的能力,在研究中可以同時分析等離子體流動,氣體運動和化學反應、等離子體形成。這種功能用於研究電弧、等離子體炬、等離子體風洞等設備。

 

 

 

2.基礎理論研究
3.高能量密度物理
4.高超聲速流體
5.天體物理與地球物理
6.熱放電等離子體
7.等離子體流動控製