USim 專業電磁流體仿真軟件


-- 高超聲速流體


    USim可以用於研究中性氣體和等離子體的(高)超聲速流動。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。可以用於研究各種包含化學反應和等離子體在內的氣體超聲速流動過程。此外,USim還具有跟蹤微波在等離子體中傳播和衍射的能力。這些能力使得USim適合於研究高超聲速飛行器的再入和黑障形成;飛行器的等離子體導流和減阻;高速飛行物體的氣動加熱等。


1. 超聲速繞柱流動模擬

     超聲速流體繞柱流動是計算流體力學中的標準驗證問題之一。下麵是USim模擬馬赫數為2的粘性流體繞圓柱的流動,顯式了弓形激波的產生和穩定尾流。

網格繞流和尾流


2. 氣動加熱模擬

    氣動加熱對飛行器設計和電磁炮彈的設計都很重要。下麵是一個概念性的示例,一個子彈形狀的物體以高速飛行並和空氣接觸,空氣被劇烈加熱,並由於高熱導致氮和氧分解甚至形成等離子體,模擬中使用了7種化學組分。可以看到不同速度下的溫度分布和自由基(N,O,NO)及電子密度分布,在23馬赫飛行時可以看到氣體溫度升高到16000K,並有明顯的等離子體形成,而在12馬赫時溫度和等離子體密度要低得多,7馬赫時幾乎沒有等離子體形成。

分布 23馬赫 12馬赫 7馬赫
溫度
氮原子
氧原子
NO
電子密度


3. 高超聲速飛行器再入和黑障形成

    高超聲速飛行器再入大氣層時,氣流由於劇烈壓縮和摩擦,溫度上升到超過一萬度,高溫導致氣體分子解離和電離,在飛行器附近形成等離子體層。當等離子體密度很高的時候,就會隔斷飛行器的無線電通訊,並且折射衍射雷達波影響雷達對飛行器的定位,這就是黑障現象。
    下麵是鈍頭飛行器再入大氣層的外流模擬,模擬條件為61km及71km高的大氣,一個速度為7600m/s的鈍頭物體再入,模擬中使用了7種化學反應模型及電離過程,並使用了來自NASA的比熱數據和部分實驗數據。可以看到,由於強烈的加熱,導致了大約1020/m3的等離子體形成。

61km高空, 23馬赫N2、O2、NO、N、O、NO+、e-密度分布
71km高空, 25馬赫N2、O2、NO、N、O、NO+、e-密度分布
USim模擬的峰值溫度,激波峰值溫度達到13500K
等離子體電子密度分布,用於研究黑障克服


4. 黑障中的電磁波傳播

    黑障會隔斷電磁波信號,對於這個問題的詳細研究需要進行電磁波在等離子體中傳播的精確模擬。USim可以對電磁波在等離子體中的傳播進行時域模擬,用來研究通訊和雷達信號的傳播和吸收。在下麵的模擬中,根據上一個模擬建立的等離子體密度分布,進行了1.65GHZ電磁波傳播的模擬。左右分別是電磁場的x和y分量。可以看到等離子體受激產生的x方向電場和電磁波本身的電場衍射。

3D仿真結果:


5. 磁噴管內流動的模擬

    磁噴管用來形成等離子體和中性氣體的高速噴流。首先由電弧發生器產生出等離子體,然後在加速電壓和導流磁場作用下形成高速噴流,這可以進行等離子體繞流研究。
    下麵是磁噴管實驗原理圖和模擬的流場,等離子體發生器是個真空弧設備,陽極加電壓加速並用線圈磁場引導等離子體流動,等離子體和背景中性氣體快速噴出。實驗中中性氣體mach ~10,等離子體V~2萬米/秒。

設備示意圖,發射等離子體的部分就是磁噴管
流場和馬赫數 磁噴管設備圖 離子數密度


6. 黑障實驗與仿真

    利用磁噴管可以對黑障過程進行地麵模擬。方法是將磁噴管輸出的高速氣流噴射到目標物體上,並用探針測量等離子體分布。下麵是設備結構示意圖和模擬結果,實驗等離子體密度約為1.4*1018/m3,模擬結果為2*1018/m3


設備結構

目標物體和測量探針

模擬區域和並行分塊

等離子體流場

中性流場

模擬的離子密度

電荷密度

電子密度

電子密度的徑向分布(仿真值與測量值)


7.哨聲波穿透黑障仿真

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

    為減弱黑障的影響,設計在飛行物中加入磁場發生器,使得哨聲波可以穿透黑障進入黑障內部,從而在一定程度上克服黑障。USim電磁流體建模能力用於計算磁場對黑障附近電磁波傳播的影響。



8. 雷達散射截麵(RCS)

    雷達散射截麵(Radar Cross section,縮寫RCS)的分析與預估一直是電磁場理論研究的一個重要課題,是雷達隱身技術中最關鍵的概念,它表征了目標在雷達波照射下所產生回波強度的一種物理量。先使用USim軟件仿真RAM-C II飛行器再入大氣層離子體鞘套的形成,然後使用VSim軟件仿真電磁波傳播(頻率1GHz)並計算RCS。


等離子體分布(USim仿真結果)

電磁波的傳播(VSim仿真結果)

RCS(z-)

RCS(z-)

RCS(xz)

RCS(yz)

 

 

1.USim軟件簡介
2.基礎理論研究
3.高能量密度物理
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