USim軟件

專業電磁流體仿真軟件

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、電氣工程等領域復雜問題的高端工具。

1. USim軟件模塊

USim是美國Tech-X公司開發的專業軟件，支持等離子體、高超聲速流體、化學反應流體運動的模擬，可以用于高超聲速流體力學、高能密度物理、天體物理、熱等離子體與電氣工程等領域物理模型的仿真。

1） USimBase

適用于流體和等離子體基本問題模擬。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，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。

2） USimHS

可以用于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。

可以模擬多組分超聲速氣體的流動，并允許用戶跟蹤仿真各種化學反應：離解、化合、電離和復合，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計。

3） USimHEDP

用于高能密度物理模型，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。

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面的反射衍射。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。

可以用于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面的流動過程，黑障條件下微波的傳播，雷達波的衍射等。

2. USim軟件應用

1） 高能量密度等離子體

Laser ICF、Z-Pinch、FRC、稠密等離子體焦點。

USim支持高能密度等離子體的模擬，并可以導入物態方程支持對極高溫度和壓力下的過程模擬。可以用于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。

2） 高超聲速流體

再入、黑障、導流、減阻。

在高速飛行器進入高層大氣時，由于運動速度極高（>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、復合過程，并允許用戶自定義各種物態方程和化學反應、電離率。可以用于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面的分析。可以用于高超聲速飛行器設計、飛行器再入過程的研究。

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、毛細管放電、等離子體流動控制。

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。這種功能用于研究電弧、等離子體炬、等離子體風洞等設備。

USim能夠計算在等離子體流動控制下的機翼或進氣道氣體流動狀態，從而用于飛行器或進氣道的導流減阻動力學研究。

4） 天體物理

磁重聯、吸積盤

USim可以研究大尺度等離子體的流動和電磁過程。這種能力可以用于研究空間等離子體和電離層的行為，包括磁重聯等復雜行為。

3. USim軟件功能特征

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。基于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并行運算

  d) 二方程RANS湍流模型

  e) 支持直角坐標和柱坐標

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)，含組分間的摩擦和碰撞傳熱

  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系數

  c) 中性流體和等離子體的混合流動

  d) 固體壁面的熱燒蝕

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向異性系數，可在三維非結構網格上求解靜電或擴散問題。

4） 專門應用

  a) 黑障通訊問題及地面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

4. USim應用實例

4.1 高能密度物理

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。這種能力可以用于教育目的，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；也可以用于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。

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。壓縮后的強磁場可以降低電子熱導率并更有效地約束alpha粒子，提供了附加的熱絕緣并降低熱核點火所需能量及內爆對稱性。下面是一個利用USim進行的MIF模擬樣例，Rayleigh-Taylor不穩定性的增長在圖中顯示出來。

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爆，可以形成極高能量密度的狀態。下面是一個20束等離子體合并內爆過程的模擬(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。(41st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference)

實驗原理圖

噴流的一維和二維密度切片

3） 反場構形和磁化靶聚變

反場構形（Field Reversed Configuration ，FRC）是一種長壽命等離子體生成機制，是目前的磁化靶核聚變（MTF)的主要啟動機制。USim在這個例子中用來研究磁場的重聯和等離子體壓縮。(41st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference)

場反位形的概念和原理                等離子體密度

4） Z箍縮（Z Pinch）

USim能夠對Z箍縮模型的等離子體內爆、輻射損失和傳輸模型進行仿真研究。

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

在高速飛行器進入高層大氣時，由于運動速度極高（>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，形成黑障。USim軟件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、復合過程，并允許用戶自定義各種物態方程和化學反應、電離率。可以用于研究再入過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傳播和衍射的能力，能夠對黑障問題進行更詳細和全面的分析。可以用于高超聲速飛行器設計、飛行器再入過程的研究。

1） 再入黑障仿真

下面是一個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組分化學反應模型及電離過程。

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于計算磁場對黑障附近電磁波傳播的影響。(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, Vol. 52, No. 3, 2015)

3） 黑障的地面實驗設備仿真

利用磁噴管可以對黑障過程進行地面模擬。方法是將磁噴管輸出的高速氣流噴射到目標物體上，并用探針測量等離子體分布。下面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。(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, DOI: 10.2514/1.A32771)

設備結構示意圖                             目標物體和測量探針

離子密度                燒蝕原子密度

4.3 等離子體流動控制

流動控制技術是通過對流場中力、質量、能量和電磁等物理量施加擾動來改變流場特性，從而改變流場中物理的受力狀態或運動狀態。等離子體流動控制技術是一種新型的流動控制技術，等離子體激勵器是由電場直接作用，沒有運動部件，具有結構簡單、尺寸下、重量輕、施加的氣動激勵作用頻帶寬、激勵參數便于實時控制、響應快、能耗較低、可靠性強等優點，近年來已成為國際上空氣動力學和氣動熱力學領域新興的研究熱點。

USim軟件可以用于多組分氣體與等離子體混合流動、飛行器減阻、進氣道導流等問題研究。

1） 飛行器減阻  

等離子體激勵可以將電場能量轉化為邊界層分子的動量或熱量，改變邊界層流場特性，抑制邊界層流動分離，使飛行器增升、減阻、提高失速迎角，實現飛行器的流動控制。本次仿真大氣壓條件下，NACA0015機翼以1.2馬赫飛行時的狀態，仰角為14度。

計算域網格

擾動強度                               壓力波

4.4 天體物理和地球物理

1） GEM磁重聯模擬

USim可以研究大尺度等離子體的流動和電磁過程。這種能力可以用于研究空間等離子體和電離層的行為，包括磁重聯等復雜行為。近地空間中的磁重聯問題是空間物理中的重要問題，下面是一個使用USim的二組分磁流體力學方法進行的GEM磁重聯模擬。

GEM二流體磁重聯模擬                 10矩模擬重聯過程

4.5 熱放電等離子體

1） 等離子體炬模擬

2D軸對稱等離子體炬仿真，圖中顯示了穩態炬的分布。