USim软件

专业电磁流体仿真软件

USim软件是支持等离子体、高超声速流体、化学反应流体模拟的专业电磁流体仿真软件，是求解高超声速流体力学、高能密度物理、天体物理、电气工程等领域复杂问题的高端工具。

1. USim软件模块

USim是美国Tech-X公司开发的专业软件，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物理模型的仿真。

1） USimBase

适用于流体和等离子体基本问题模拟。提供简单几何下欧拉方程和理想磁流体方程的求解器。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。

2） USimHS

可以用于研究外层大气中的多组分等离子体流动问题，包括多组分流动、高速粘性流体以及等离子体物理等特性。

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等离子体鞘套形成研究和高超声速飞行器设计。

3） USimHEDP

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。

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。

2. USim软件应用

1） 高能量密度等离子体

Laser ICF、Z-Pinch、FRC、稠密等离子体焦点。

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。

2） 高超声速流体

再入、黑障、导流、减阻。

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。

3） 热/放电等离子体

电弧/等离子体炬、等离子体助燃、等离子体喷涂、毛细管放电、等离子体流动控制。

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能够计算在等离子体流动控制下的机翼或进气道气体流动状态，从而用于飞行器或进气道的导流减阻动力学研究。

4） 天体物理

磁重联、吸积盘

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。

3. USim软件功能特征

1） 基本流体力学特性

  a) 标准流体力学方程(Euler方程,N-S方程)、磁流体方程(单流体，二流体，霍尔磁流体)求解

  b) 高分辨率激波捕捉算法

  c) 支持结构和非结构网格、贴体网格。基于GMSH格式的非结构化网格以及ExodusII格式的3维非结构网格的大规模并行运算

  d) 二方程RANS湍流模型

  e) 支持直角坐标和柱坐标

2） 化学和多组分流体仿真

  a) 多组分多温度流体(含多组分等离子体)，含组分间的摩擦和碰撞传热

  b) 组分间的化学反应，支持用户自定义的化学反应方程和反应系数

  c) 中性流体和等离子体的混合流动

  d) 固体壁面的热烧蚀

3） 电磁场仿真

  a) 支持在流体计算中耦合Maxwell方程组，研究电磁波在等离子体中的传播

  b) 3维Poisson方程求解器支持非线性和各向异性系数，可在三维非结构网格上求解静电或扩散问题。

4） 专门应用

  a) 黑障通讯问题及地面实验的第一原理模型研究

  b) 电弧和等离子体炬的完整等离子体模拟能力

4. USim应用实例

4.1 高能密度物理

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。

1） 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。

Simulation of the RT growth in nonlinear stage

2） 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。(41st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference)

实验原理图

喷流的一维和二维密度切片

3） 反场构形和磁化靶聚变

反场构形（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。(41st AIAA Plasmadynamics and Lasers Conference)

场反位形的概念和原理                等离子体密度

4） Z箍缩（Z Pinch）

USim能够对Z箍缩模型的等离子体内爆、辐射损失和传输模型进行仿真研究。

Z箍缩磁力线与等离子体密度 

4.2 高超声速电磁流体仿真

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，形成黑障。USim软件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软件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。

1） 再入黑障仿真

下面是一个RAMC-II钝头飞行器再入大气层的外流模拟，模拟条件为61km高的大气，飞行速度为7600m/s，23马赫，模拟中使用了7组分化学反应模型及电离过程。

N2                           NO+/e-

电磁波与鞘层作用

2） 哨声波穿透黑障仿真

为减弱黑障的影响，设计在飞行物中加入磁场发生器，使得哨声波可以穿透黑障进入黑障内部，从而在一定程度上克服黑障。USim电磁流体建模能力用于计算磁场对黑障附近电磁波传播的影响。(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, Vol. 52, No. 3, 2015)

3） 黑障的地面实验设备仿真

利用磁喷管可以对黑障过程进行地面模拟。方法是将磁喷管输出的高速气流喷射到目标物体上，并用探针测量等离子体分布。下面是设备结构示意图和模拟结果，实验等离子体密度约为1.4*1018/m3，模拟结果为2*1018/m3。(JOURNAL OF SPACECRAFT AND ROCKETS, DOI: 10.2514/1.A32771)

设备结构示意图                             目标物体和测量探针

离子密度                烧蚀原子密度

4.3 等离子体流动控制

流动控制技术是通过对流场中力、质量、能量和电磁等物理量施加扰动来改变流场特性，从而改变流场中物理的受力状态或运动状态。等离子体流动控制技术是一种新型的流动控制技术，等离子体激励器是由电场直接作用，没有运动部件，具有结构简单、尺寸下、重量轻、施加的气动激励作用频带宽、激励参数便于实时控制、响应快、能耗较低、可靠性强等优点，近年来已成为国际上空气动力学和气动热力学领域新兴的研究热点。

USim软件可以用于多组分气体与等离子体混合流动、飞行器减阻、进气道导流等问题研究。

1） 飞行器减阻  

等离子体激励可以将电场能量转化为边界层分子的动量或热量，改变边界层流场特性，抑制边界层流动分离，使飞行器增升、减阻、提高失速迎角，实现飞行器的流动控制。本次仿真大气压条件下，NACA0015机翼以1.2马赫飞行时的状态，仰角为14度。

计算域网格

扰动强度                               压力波

4.4 天体物理和地球物理

1） GEM磁重联模拟

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。近地空间中的磁重联问题是空间物理中的重要问题，下面是一个使用USim的二组分磁流体力学方法进行的GEM磁重联模拟。

GEM二流体磁重联模拟                 10矩模拟重联过程

4.5 热放电等离子体

1） 等离子体炬模拟

2D轴对称等离子体炬仿真，图中显示了稳态炬的分布。