USim 專業電磁流體仿真軟件


-- 高能量密度物理


    USim支持高能密度等離子體的模擬,可以支持常規的單流體磁流體方程,也可以處理霍爾磁流體模型,二流體模型等其他等離子體流體方程,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。非結構網格建模能力可以支持各種複雜外形和結構中的等離子體流動,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;也可以用於研究空間大尺寸等離子體的演化和流動,磁重聯等等。


1. 磁化慣性約束聚變(MIF)模擬

    利用磁通壓縮來提高激光聚變性能是一種慣性約束聚變的新設計思路。在這種設計中,圓柱形的聚變靶被激光壓縮,凍結在靶柱體內的初始磁場從而隨之被壓縮增強。壓縮後的強磁場可以降低電子熱導率並更有效地約束alpha粒子,提供了附加的熱絕緣並降低熱核點火所需能量及內爆對稱性。USim可以用於研究這種磁化流體在高溫高壓下的運動過程,並分析其中的不穩定性模式。下麵是用USim研究MIF中瑞利-泰勒不穩定性的例子。


Rayleigh-Taylor with magnetic field

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


2. 等離子體噴流合並模擬

    利用多束等離子體噴流合並形成內爆,可以形成極高能量密度的狀態。下麵是一個20束等離子體合並內爆過程的模擬(Hsu, J. Fusion Energy,2008)。碰撞剛剛開始的時候壓強就達到了20千巴,模擬在200*200*200的網格上進行。

  
實驗原理圖
    
Plasma Liner實驗中的等離子體束合並模擬。
  
噴流的一維和二維密度切片


3. 場反位形和磁化靶聚變

    場反位形(Field Reversed Configuration ,FRC)是一種長壽命等離子體生成機製,是目前的磁化靶核聚變(MTF)的主要啟動機製。USim在這個例子中用來研究磁場的重聯和FRC構型的形成。


場反位形的概念和原理

實驗設備

模擬的磁場和等離子體密度分布,6.4微秒

模擬的磁場和等離子體密度分布,16微秒

模擬的磁場和等離子體密度分布,40微秒


4. 稠密等離子體焦點模擬

    等離子體焦點(Plasma Focus)用於產生高溫度高密度等離子體。模擬中,放電等離子體被從通道噴出並劇烈箍縮破碎,形成等離子體焦點區域。


模型結構

模擬區域和分塊

等離子體密度分布的演化,從初始狀態發展到2微秒,密度壓縮了上千倍

等離子體溫度分布的演化,可以看到在兩微秒內溫度上升了一個量級


5. 空間磁重聯過程的模擬

    磁重聯是地球空間物理中的關鍵性物理現象之一。利用USim的等離子體建模能力,可以實現對重聯行為的詳細模擬,並分辯各種物理效應的影響。下麵是一個GEM磁重聯過程的模擬,使用了等離子體的5-矩和10-矩(非各向同性離子壓力)方程。模擬中可以看到考慮二流體行為和非各向同性壓力影響的重要性。


初態:等離子體電流層

5矩模擬顯示的重聯過程:60個回旋周期後,電子的Z方向動量

10矩模擬顯示的重聯過程:60個回旋周期後,電子的Z方向動量


 

 

 

1.USim軟件簡介
2.基礎理論研究
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