USim軟件

專(zhuān)業(yè)電磁流體仿真軟件

USim軟件是支持等離子體、高超聲速流體、化學(xué)反應(yīng)流體模擬的專(zhuān)業(yè)電磁流體仿真軟件，是求解高超聲速流體力學(xué)、高能密度物理、天體物理、電氣工程等領(lǐng)域復(fù)雜問(wèn)題的高端工具。

1. USim軟件模塊

USim是美國(guó)Tech-X公司開(kāi)發(fā)的專(zhuān)業(yè)軟件，支持等離子體、高超聲速流體、化學(xué)反應(yīng)流體運(yùn)動(dòng)的模擬，可以用于高超聲速流體力學(xué)、高能密度物理、天體物理、熱等離子體與電氣工程等領(lǐng)域物理模型的仿真。

1） USimBase

適用于流體和等離子體基本問(wèn)題模擬。提供簡(jiǎn)單幾何下歐拉方程和理想磁流體方程的求解器。通過(guò)對(duì)一些經(jīng)典問(wèn)題，如激波管、Kelvin-Helmholtz不穩(wěn)定性、Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性、磁化Z箍縮等問(wèn)題的求解，可以獲得對(duì)流體和等離子體物理及其數(shù)值模擬基本概念的理解。

2） USimHS

可以用于研究外層大氣中的多組分等離子體流動(dòng)問(wèn)題，包括多組分流動(dòng)、高速粘性流體以及等離子體物理等特性。

可以模擬多組分超聲速氣體的流動(dòng)，并允許用戶跟蹤仿真各種化學(xué)反應(yīng)：離解、化合、電離和復(fù)合，能夠分析高超聲速條件下的氣體加熱和等離子體形成，特別適合于飛行器再入的等離子體鞘套形成研究和高超聲速飛行器設(shè)計(jì)。

3） USimHEDP

用于高能密度物理模型，研究物質(zhì)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(lián)和內(nèi)爆物理。

可以處理包含電磁波傳播和衍射在內(nèi)的問(wèn)題，即用(磁)流體力學(xué)計(jì)算出等離子體形成，耦合上電磁信號(hào)的傳播，用來(lái)研究雷達(dá)信號(hào)在再入飛行器表面的反射衍射。流體力學(xué)計(jì)算等離子體分布，而電磁場(chǎng)計(jì)算用來(lái)跟蹤微波信號(hào)的傳播。

可以用于黑障相關(guān)實(shí)驗(yàn)設(shè)備的研究，如研究等離子體從各種噴管?chē)姵黾芭龅侥繕?biāo)物體表面的流動(dòng)過(guò)程，黑障條件下微波的傳播，雷達(dá)波的衍射等。

2. USim軟件應(yīng)用

1） 高能量密度等離子體

Laser ICF、Z-Pinch、FRC、稠密等離子體焦點(diǎn)。

USim支持高能密度等離子體的模擬，并可以導(dǎo)入物態(tài)方程支持對(duì)極高溫度和壓力下的過(guò)程模擬�？梢杂糜诟鞣N受控聚變問(wèn)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(diǎn)等。

2） 高超聲速流體

再入、黑障、導(dǎo)流、減阻。

在高速飛行器進(jìn)入高層大氣時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)速度極高（>20馬赫），會(huì)與空氣劇烈摩擦而達(dá)到極高溫度(>10000K），發(fā)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(huì)阻斷電磁波的傳播，稱(chēng)為黑障。USim能夠研究多種組分氣體的高超聲速流動(dòng)，跟蹤仿真流動(dòng)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和電離、復(fù)合過(guò)程，并允許用戶自定義各種物態(tài)方程和化學(xué)反應(yīng)、電離率�？梢杂糜谘芯吭偃脒^(guò)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(qū)傳播和衍射的能力，能夠?qū)�黑障�?wèn)題進(jìn)行更詳細(xì)和全面的分析�？梢杂糜诟叱�聲速飛行器設(shè)計(jì)、飛行器再入過(guò)程的研究。

3） 熱/放電等離子體

電弧/等離子體炬、等離子體助燃、等離子體噴涂、毛細(xì)管放電、等離子體流動(dòng)控制。

USim具有熱放電等離子體的能力，在研究中可以同時(shí)分析等離子體流動(dòng)，氣體運(yùn)動(dòng)和化學(xué)反應(yīng)、等離子體形成。這種功能用于研究電弧、等離子體炬、等離子體風(fēng)洞等設(shè)備。

USim能夠計(jì)算在等離子體流動(dòng)控制下的機(jī)翼或進(jìn)氣道氣體流動(dòng)狀態(tài)，從而用于飛行器或進(jìn)氣道的導(dǎo)流減阻動(dòng)力學(xué)研究。

4） 天體物理

磁重聯(lián)、吸積盤(pán)

USim可以研究大尺度等離子體的流動(dòng)和電磁過(guò)程。這種能力可以用于研究空間等離子體和電離層的行為，包括磁重聯(lián)等復(fù)雜行為。

3. USim軟件功能特征

1） 基本流體力學(xué)特性

  a) 標(biāo)準(zhǔn)流體力學(xué)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(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、貼體網(wǎng)格�；�于GMSH格式的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格以及ExodusII格式的3維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的大規(guī)模并行運(yùn)算

  d) 二方程RANS湍流模型

  e) 支持直角坐標(biāo)和柱坐標(biāo)

2） 化學(xué)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)，含組分間的摩擦和碰撞傳熱

  b) 組分間的化學(xué)反應(yīng)，支持用戶自定義的化學(xué)反應(yīng)方程和反應(yīng)系數(shù)

  c) 中性流體和等離子體的混合流動(dòng)

  d) 固體壁面的熱燒蝕

3） 電磁場(chǎng)仿真

  a) 支持在流體計(jì)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向異性系數(shù)，可在三維非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格上求解靜電或擴(kuò)散問(wèn)題。

4） 專(zhuān)門(mén)應(yīng)用

  a) 黑障通訊問(wèn)題及地面實(shí)驗(yàn)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

4. USim應(yīng)用實(shí)例

4.1 高能密度物理

USim作為專(zhuān)業(yè)的電磁流體仿真軟件，可以簡(jiǎn)單快速地處理流體力學(xué)和磁流體力學(xué)中的基本方程。這種能力可以用于教育目的，如讓學(xué)生快速理解計(jì)算流體力學(xué)和磁流體模擬的基本過(guò)程，流體力學(xué)的一些基本概念和理論等；也可以用于分析流體力學(xué)中的各種基本過(guò)程和不穩(wěn)定性，對(duì)理論研究提供參考。

1） 磁化慣性約束聚變(MIF)模擬

利用磁通壓縮來(lái)提高激光聚變性能是一種慣性約束聚變的新設(shè)計(jì)思路。在這種設(shè)計(jì)中，圓柱形的聚變靶被激光壓縮，凍結(jié)在靶柱體內(nèi)的初始磁場(chǎng)從而隨之被壓縮增強(qiáng)。壓縮后的強(qiáng)磁場(chǎng)可以降低電子熱導(dǎo)率并更有效地約束alpha粒子，提供了附加的熱絕緣并降低熱核點(diǎn)火所需能量及內(nèi)爆對(duì)稱(chēng)性。下面是一個(gè)利用USim進(jìn)行的MIF模擬樣例，Rayleigh-Taylor不穩(wěn)定性的增長(zhǎng)在圖中顯示出來(lái)。

Simulation of the RT growth in nonlinear stage

2） 等離子體噴流合并模擬

利用多束等離子體噴流合并形成內(nèi)爆，可以形成極高能量密度的狀態(tài)。下面是一個(gè)20束等離子體合并內(nèi)爆過(guò)程的模擬(Hsu, J. Fusion Energy，2008)。碰撞剛剛開(kāi)始的時(shí)候壓強(qiáng)就達(dá)到了20千巴，模擬在200*200*200的網(wǎng)格上進(jìn)行。(41st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference)

實(shí)驗(yàn)原理圖

噴流的一維和二維密度切片

3） 反場(chǎng)構(gòu)形和磁化靶聚變

反場(chǎng)構(gòu)形（Field Reversed Configuration ，F(xiàn)RC）是一種長(zhǎng)壽命等離子體生成機(jī)制，是目前的磁化靶核聚變（MTF)的主要啟動(dòng)機(jī)制。USim在這個(gè)例子中用來(lái)研究磁場(chǎng)的重聯(lián)和等離子體壓縮。(41st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference)

場(chǎng)反位形的概念和原理                等離子體密度

4） Z箍縮（Z Pinch）

USim能夠?qū)�Z箍縮模型的等離子體內(nèi)爆、輻射損失和傳輸模型進(jìn)行仿真研究。

Z箍縮磁力線與等離子體密度 

4.2 高超聲速電磁流體仿真

在高速飛行器進(jìn)入高層大氣時(shí)，由于運(yùn)動(dòng)速度極高（>20馬赫），會(huì)與空氣劇烈摩擦而達(dá)到極高溫度(>10000K），發(fā)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(huì)阻斷電磁波的傳播，形成黑障。USim軟件能夠研究多種組分氣體的高超聲速流動(dòng)，跟蹤仿真流動(dòng)中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和電離、復(fù)合過(guò)程，并允許用戶自定義各種物態(tài)方程和化學(xué)反應(yīng)、電離率。可以用于研究再入過(guò)程中的加熱和黑障的形成。此外，USim軟件還具有跟蹤微波在黑障區(qū)傳播和衍射的能力，能夠?qū)�黑障�?wèn)題進(jìn)行更詳細(xì)和全面的分析�？梢杂糜诟叱�聲速飛行器設(shè)計(jì)、飛行器再入過(guò)程的研究。

1） 再入黑障仿真

下面是一個(gè)RAMC-II鈍頭飛行器再入大氣層的外流模擬，模擬條件為61km高的大氣，飛行速度為7600m/s，23馬赫，模擬中使用了7組分化學(xué)反應(yīng)模型及電離過(guò)程。

N2                           NO+/e-

電磁波與鞘層作用

2） 哨聲波穿透黑障仿真

為減弱黑障的影響，設(shè)計(jì)在飛行物中加入磁場(chǎng)發(fā)生器，使得哨聲波可以穿透黑障進(jìn)入黑障內(nèi)部，從而在一定程度上克服黑障。USim電磁流體建模能力用于計(jì)算磁場(chǎng)對(duì)黑障附近電磁波傳播的影響。(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, Vol. 52, No. 3, 2015)

3） 黑障的地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備仿真

利用磁噴管可以對(duì)黑障過(guò)程進(jìn)行地面模擬。方法是將磁噴管輸出的高速氣流噴射到目標(biāo)物體上，并用探針測(cè)量等離子體分布。下面是設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖和模擬結(jié)果，實(shí)驗(yàn)等離子體密度約為1.4*1018/m3，模擬結(jié)果為2*1018/m3。(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, DOI: 10.2514/1.A32771)

設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖                             目標(biāo)物體和測(cè)量探針

離子密度                燒蝕原子密度

4.3 等離子體流動(dòng)控制

流動(dòng)控制技術(shù)是通過(guò)對(duì)流場(chǎng)中力、質(zhì)量、能量和電磁等物理量施加擾動(dòng)來(lái)改變流場(chǎng)特性，從而改變流場(chǎng)中物理的受力狀態(tài)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。等離子體流動(dòng)控制技術(shù)是一種新型的流動(dòng)控制技術(shù)，等離子體激勵(lì)器是由電場(chǎng)直接作用，沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸下、重量輕、施加的氣動(dòng)激勵(lì)作用頻帶寬、激勵(lì)參數(shù)便于實(shí)時(shí)控制、響應(yīng)快、能耗較低、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)已成為國(guó)際上空氣動(dòng)力學(xué)和氣動(dòng)熱力學(xué)領(lǐng)域新興的研究熱點(diǎn)。

USim軟件可以用于多組分氣體與等離子體混合流動(dòng)、飛行器減阻、進(jìn)氣道導(dǎo)流等問(wèn)題研究。

1） 飛行器減阻  

等離子體激勵(lì)可以將電場(chǎng)能量轉(zhuǎn)化為邊界層分子的動(dòng)量或熱量，改變邊界層流場(chǎng)特性，抑制邊界層流動(dòng)分離，使飛行器增升、減阻、提高失速迎角，實(shí)現(xiàn)飛行器的流動(dòng)控制。本次仿真大氣壓條件下，NACA0015機(jī)翼以1.2馬赫飛行時(shí)的狀態(tài)，仰角為14度。

計(jì)算域網(wǎng)格

擾動(dòng)強(qiáng)度                               壓力波

4.4 天體物理和地球物理

1） GEM磁重聯(lián)模擬

USim可以研究大尺度等離子體的流動(dòng)和電磁過(guò)程。這種能力可以用于研究空間等離子體和電離層的行為，包括磁重聯(lián)等復(fù)雜行為。近地空間中的磁重聯(lián)問(wèn)題是空間物理中的重要問(wèn)題，下面是一個(gè)使用USim的二組分磁流體力學(xué)方法進(jìn)行的GEM磁重聯(lián)模擬。

GEM二流體磁重聯(lián)模擬                 10矩模擬重聯(lián)過(guò)程

4.5 熱放電等離子體

1） 等離子體炬模擬

2D軸對(duì)稱(chēng)等離子體炬仿真，圖中顯示了穩(wěn)態(tài)炬的分布。