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1、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功能模块模块功能应用USimBase基础理论研究和教育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流体方程的求解器。通过对一些经典问题，如激波管、Kelvin
2、-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。USimHS超声速流体力学，高超声速飞行器设计，再入和黑障形成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，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。USimHEDP高能密度物理，受控核聚变，天
3、体和地球物理，电气工程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。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
4、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Euler方程：
理想MHD方程：Maxwell方程：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
5、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
6、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。USi
7、m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
8、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Rayleigh -
Taylore不稳定性线性增长结束段的模拟，图中给出密度分布。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。 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
9、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。
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 Line
11、r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3. 高超声速流体力学和飞行器研究例6.
超声速绕柱流动模拟超声速流体绕柱流动是计算流体力学中的标准验证问题之一。下面是USim模拟马赫数为2的粘性流体绕圆柱的流动，显式了弓形激波的产生和稳定尾流。 网格 绕流和尾流例7. 气动加热模拟气动加热对飞行器设计和电磁
12、炮弹的设计都很重要。下面是一个概念性的示例，一个子弹形状的物体以高速飞行并和空气接触，空气被剧烈加热，并由于高热导致氮和氧分解甚至形成等离子体，模拟中使用了7种化学组分。可以看到不同速度下的温度分布和自由基(N,O,NO)及电子密度分布，在23马赫飞行时可以看到气体温度升高到16000K，并有明显的等离子体形成，而在12马赫时温度和等离子体密度要低得多，7马赫时几乎没有等离子体形成。分布23马赫12马赫7马赫温度氮原子氧原子NO电子密度例8.
磁喷管在黑障研究中，使用磁喷管产生等离子体，喷射到目标物体上形成等离子体屏蔽区。真空电弧发生器产生出等离子体，磁喷管将电弧发生器产生的等离子体形成高速喷
13、流(中性气体mach 10，等离子体V2万米/秒)，。下面是一个关于磁喷管内流动的模拟，电弧工作电流约100A，目标物体上的热流约10W/平方厘米： 设备示意图，发射等离子体的部分就是磁喷管 流场和马赫数 磁喷管设备图 离子数密度例9.
高超声速飞行器再入模拟下面是一个钝头飞行器再入大气层的外流模拟，模拟条件为61km及71km高的大气，一个速度为7600m/s的钝头物体再入，模拟中使用了7种化学反应模型及电离过程，并使用了来自NASA的比热数据和部分实验数据。 61km高空, 23马赫 71km高空, 25马赫 N2、O2、NO、N、O、NO+、e-密度分布 USim模拟的峰值温度，激波峰值温度达到13500K。
等离子体电子密度分布，用于研究黑障克服。4. 天体物理和地球物理例10. GEM近地空间等离子体模拟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。例11. HyperV
吸积盘实验模拟在这个研究中，利用实验和数值模拟来研究一组喷流合并，从而研究吸积盘的形成。下面例子是用USim进行模拟的结果，模拟中，12束速度为10.2马赫的束流合并并形成一个盘。束流射入和盘的形成阶段，盘形成后，束流被关闭。盘完全形成后，开始向各个方向扩散。
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