USim电磁流体仿真

USim专业电磁流体仿真

USim软件是专业的电磁流体仿真软件，求解含化学反应的等离子体流体模型。可以仿真高能量密度等离子体、高超声速磁流体、天体物理、热等离子体与电气工程等领域中的高端科研模型。非结构网格建模能力可以处理各种复杂的几何结构，能够研究相关商业和国防项目中的重要物理问题。

VSim是包含全电磁模型的粒子仿真软件，是等离子体、微波与真空电子器件、脉冲功率与高电压、加速器、放电等离子体等领域的尖端仿真工具。

USim功能模块

模块 功能 基础理论研究和教育 应用 适用于流体和等离子体模拟的教学。提供简单几何下欧拉方程和理想磁USimBase 流体方程的求解器。通过对一些经典问题，如激波管、Kelvin-Helmholtz不稳定性、Rayleigh-Taylor不稳定性、磁化Z箍缩等问题的求解，可以获得对流体和等离子体物理及其数值模拟基本概念的理解。 可以用于研究外层大气中的多组分等离子体流动问题，包括多组分流超声速流体力USimHS 学，高超声速飞行器设计，再入和黑障形成 动、高速粘性流体以及等离子体物理等特性，是目前唯一用于研究这类问题的商业化电磁流体模拟软件。 可以模拟多组分超声速气体的流动，并允许用户跟踪仿真各种化学反应：离解、化合、电离和复合，能够分析高超声速条件下的气体加热和等离子体形成，特别适合于飞行器再入的黑障形成研究和高超声速飞行器设计。 用于高能密度物理模型，研究物质在极高温度和压力下的行为。这种能力非常适合研究磁重联和内爆物理。是唯一可以用于这类高能密度物理问题的商业化程序。 高能密度物理，USimHEDP 受控核聚变，天体和地球物理，电气工程 可以处理包含电磁波传播和衍射在内的问题，即用(磁)流体力学计算出等离子体形成，耦合上电磁信号的传播，用来研究雷达信号在再入飞行器表面的反射衍射。流体力学计算等离子体分布，而电磁场计算用来跟踪微波信号的传播。 可以用于黑障相关实验设备的研究，如研究等离子体从各种喷管喷出及碰到目标物体表面的流动过程，黑障条件下微波的传播，雷达波的衍射等。 USim专业电磁流体仿真软件

USim是电磁场作用下气体流动问题仿真的专业软件，支持等离子体、高超声速流体、化学反应

流体运动的模拟，可以用于高超声速流体力学、高能密度物理、天体物理、热等离子体与电气工程等领域高端物理模型的仿真。

USim基本概念

基本方程：守恒律方程，如Euler,磁流体方程,Maxwell方程等等

?q???F(w)?S(x,y,z,t;q) ?tEuler方程：

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上述方程中修改源项即可形成N-S方程、反应扩散方程等。

写出源项后，USim可以使用结构化或者非结构化网格（Gmsh格式）求解方程，使用MUSCL和WAVE来捕捉激波。

USim功能特征

1) 基于有限体积法的流动建模，使用MUSCL方法进行高分辨率的激波捕捉。

2) 流体模型支持标准Euler和N-S流体、化学反应气体、理想和非理想磁流体力学、霍尔磁流体等模型。 3)支持多组分多温度流体系统；支持电磁场如Maxwell方程；支持自定义的化学反应和物态方程；支持第三方的物态方程接口。

4) 求解器支持多维的结构网格，贴体网格和非结构网格。 5) 支持直角坐标，柱坐标和球坐标系。

6) 支持大规模并行运算，软件可以在Windows、Linux上运行。 7) 软件包含多种物理建模优化方面的例子和帮助文档。

8) 可以在统一界面USimComposer下完成建模、验证、运行和结果可视化。

USim应用范围和目标

一、基础理论研究和教育 USim作为专业的电磁流体仿真软件，可以简单快速地处理流体力学和磁流体力学中的基本方程。这种能力可以用于教育目的，如让学生快速理解计算流体力学和磁流体模拟的基本过程，流体力学的一些基本概念和理论等；也可以用于分析流体力学中的各种基本过程和不稳定性，对理论研究提供参考。 二、高能密度物理 USim支持高能密度等离子体的模拟，并可以导入物态方程支持对极高温度和压力下的过程模拟。可以用于各种受控聚变问题中研究等离子体的形成和演化，如托卡马克、惯性约束和磁化惯性约束、磁化靶聚变、等离子体焦点等。

三、高超声速流体 在高速飞行器进入高层大气时，由于运动速度极高（>20马赫），会与空气剧烈摩擦而达到极高温度(>10000K），发生分子解离和电离，形成很高浓度的自由基和电子-离子等离子体。这种等离子体会阻断电磁波的传播，称为黑障。USim能够研究多种组分气体的高超声速流动，跟踪仿真流动中发生的化学反应和电离、复合过程，并允许用户自定义各种物态方程和化学反应、电离率。可以用于研究再入过程中的加热和黑障的形成。此外，USim还具有跟踪微波在黑障区传播和衍射的能力，能够对黑障问题进行更详细和全面的分析。可以用于高超声速飞行器设计、飞行器再入过程的研究。

四、天体物理和地球物理 USim可以研究大尺度等离子体的流动和电磁过程。这种能力可以用于研究空间等离子体和电离层的行为，包括磁重联等复杂行为。

五、热等离子体和电气工程 USim具有热放电等离子体的能力，在研究中可以同时分析等离子体流动，气体运动和化学反应、等离子体形成。这种功能用于研究电弧、等离子体炬、等离子体风洞等设备。

USim应用实例

1. 基本理论研究

例1. 基本流体不稳定性的模拟

USim的基本建模能力可以演示各种流体力学不稳定性的产生和发展，这对教学和基本理论研究都是有用的。下面是标准的Kelvin - Helmholtz及Rayleigh - Taylor不稳定性直接模拟。模拟中可以看到不稳定性的增长和非线性演化。

关于Kelvin - Helmholtz不稳定性线性增长结束段的模拟，图中给出密度分布。

关于Rayleigh - Taylore不稳定性线性增长结束段的模拟，图中给出密度分布。

例2. 基本流体力学问题：超声速流台阶前流动

超声速台阶前流动是计算流体力学的标准验证问题之一，气体从左侧超声速流入，然后在台阶面上进行复杂的反射。下面是一个USim算例：

网格结构 气体密度分布 马赫数分布

2. 高能密度物理

例3. 磁化惯性约束聚变(MIF)模拟

利用磁通压缩来提高激光聚变性能是一种惯性约束聚变的新设计思路。在这种设计中，圆柱形的聚变靶被激光压缩，冻结在靶柱体内的初始磁场从而随之被压缩增强。压缩后的强磁场可以降低电子热导率并更有效地约束alpha粒子，提供了附加的热绝缘并降低热核点火所需能量及内爆对称性。下面是一个利用USim进行的MIF模拟样例，Rayleigh-Taylor不稳定性的增长在图中显示出来。

Rayleigh-Taylor growth under gravity field

Rayleigh-Taylor with magnetic field Linear stage growth from initial perturbations

Simulation of the RT growth in nonlinear stage

例4. 等离子体喷流合并模拟

利用多束等离子体喷流合并形成内爆，可以形成极高能量密度的状态。下面是一个20束等离子体合并内爆过程的模拟(Hsu, J. Fusion Energy，2008)。碰撞刚刚开始的时候压强就达到了20千巴，模拟在200*200*200的网格上进行。

实验原理图

Plasma Liner实验中的等离子体束合并模拟。

喷流的一维和二维密度切片

例5. 场反位形和磁化靶聚变

场反位形（Field Reversed Configuration ，FRC）是一种长寿命等离子体生成机制，是目前的磁化靶核聚变（MTF)的主要启动机制。USim在这个例子中用来研究磁场的重联和等离子体压缩。

场反位形的概念和原理

实验设备. 等离子体密度