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VSim電磁粒子仿真軟件

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Tech–X公司介紹美國(guó)Tech-X公司由科羅拉多大學(xué)的JohnR.Cary教授創(chuàng)立于1994年，他是世界范圍內(nèi)計(jì)算等離子體物理領(lǐng)域影響力的專家之一

詳細(xì)介紹

Tech –X公司介紹

美國(guó)Tech-X公司由科羅拉多大學(xué)的John R. Cary教授創(chuàng)立于1994年，他是世界范圍內(nèi)計(jì)算等離子體物理領(lǐng)域影響力的專家之一。他們專注于等離子體粒子仿真計(jì)算領(lǐng)域的研究，將等離子體物理和大規(guī)模并行計(jì)算技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)出了適合大規(guī)模并行計(jì)算的等離子體和粒子仿真軟件，在數(shù)千家用戶中得到了廣泛使用，是該領(lǐng)域中影響力的仿真軟件。允若科技是Tech-X公司中國(guó)區(qū)域正式代理商，全面代理銷(xiāo)售其旗下產(chǎn)品。

Tech-X公司的產(chǎn)品包括電磁粒子仿真軟件VSim、電磁流體仿真軟件USim和粒子輻射與防護(hù)仿真軟件RSim。其中VSim基于PIC算法開(kāi)發(fā)，適用于整個(gè)等離子體和射頻領(lǐng)域的仿真問(wèn)題，支持大規(guī)模并行計(jì)算；USim基于磁流體方程開(kāi)發(fā)，包含各種化學(xué)反應(yīng)，適用于高超聲速流體力學(xué)、高能密度物理、天體物理、電氣工程等研究領(lǐng)域；RSim是專業(yè)的粒子輻射與防護(hù)仿真軟件，利用Geant4的蒙特卡洛方法作為底層，能夠計(jì)算輻射損傷、輻射屏蔽和防護(hù)。輸出能量和劑量沉積、網(wǎng)格通量、碰撞率等結(jié)果。

VSim基本特點(diǎn)

VSim是一種多物理場(chǎng)模擬工具，為設(shè)計(jì)工程師和研究科學(xué)家提供精確的解決方案來(lái)解決具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。VSim獨(dú)特的時(shí)域有限差分法（FDTD）、粒子云網(wǎng)格法（PIC）和帶電流體法（有限體積法）的結(jié)合為各種情況提供了精確的結(jié)果。

作為一種并行軟件應(yīng)用程序，VSim可以有效地處理大規(guī)模的問(wèn)題，并且可以使用為高性能計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)的算法快速運(yùn)行仿真。VSim得到了30個(gè)國(guó)家的研究人員的信任，并被從航空航天到半導(dǎo)體制造等行業(yè)的工程師所使用，是理想的多物理仿真工具，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

功能*，用途廣泛

VSim使用時(shí)域有限差分（FDTD）和粒子云網(wǎng)格（PIC）方法來(lái)運(yùn)行計(jì)算密集的電磁、靜電和等離子體模擬。作為時(shí)域求解器，VSim可以進(jìn)行全波分析，在一次運(yùn)行中獲得頻率范圍內(nèi)的響應(yīng)，并提供瞬態(tài)分析。由于VSim中包含了額外的PIC算法，這些模擬可以在等離子體和電介質(zhì)的存在下運(yùn)行，使得VSim成為眾多行業(yè)設(shè)計(jì)工程師的完整模擬工具。

準(zhǔn)確可靠

VSim計(jì)算的精確性和結(jié)果的可信度獲得了普遍認(rèn)可。由一個(gè)計(jì)算科學(xué)家團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建的Vorpal代碼在科學(xué)文獻(xiàn)中被引用了數(shù)千次，它是VSim軟件的求解核心。VSim在許多世界研究機(jī)構(gòu)中都有多年的應(yīng)用，在中國(guó)的很多科研單位中也有十年以上的應(yīng)用歷史，其計(jì)算的精確性和結(jié)果的可信度獲得了國(guó)內(nèi)外專業(yè)人士的廣泛認(rèn)可。

快速且可擴(kuò)展

FDTD解算器，如VSim，被認(rèn)為是解決具有大量未知量的復(fù)雜問(wèn)題的。使用Tech-X專有的切割單元算法，VSim在不增加運(yùn)行時(shí)間的情況下獲得高精度。VSim具有可擴(kuò)展的并行計(jì)算能力，可以在集群和的超級(jí)計(jì)算機(jī)上高效地解決非常大的問(wèn)題。

VSim包含以下四個(gè)模塊：

高精度等離子體加速計(jì)算模塊： undefined

全面的放電等離子體計(jì)算模塊：

復(fù)雜電磁學(xué)與靜電學(xué)計(jì)算模塊：

射頻和微波器件仿真計(jì)算模塊：

VSim整體功能特征

Particle-In-Cell模型

VSim最核心的特點(diǎn)是使用PIC算法(Particle-in-Cell)來(lái)模擬等離子體的演化，這是它和其他等離子體仿真軟件的本質(zhì)區(qū)別。因?yàn)椴捎?/span>PIC算法和蒙特卡羅方法，所以VSim可以精確計(jì)算微觀粒子的演化狀態(tài)，可以達(dá)到其他仿真軟件無(wú)法達(dá)到的計(jì)算精度，實(shí)現(xiàn)真空和低氣壓環(huán)境計(jì)算，特別適用于仿真計(jì)算激光等離子體、放電等離子體和各種真空管等。

電磁場(chǎng)模型

VSim在采用PIC和蒙特卡羅方法的同時(shí)，也包含電磁Maxwell方程組、靜電Poisson方程和FDTD方程，因此VSim可以計(jì)算各種介電、介磁和電導(dǎo)行為，也支持YEE網(wǎng)格的電磁場(chǎng)建模。

復(fù)雜幾何外形和網(wǎng)格處理

VSim已經(jīng)具有了三維可視化建模功能，用戶可以直接在軟件中進(jìn)行三維可視化建模和各種布爾操作，使用空文件或者sdf 模板這兩種方式來(lái)快速生成輸入文件，從程序工程文件入手，大大縮短加載時(shí)間。也可以導(dǎo)入多格式的CAD文件并在軟件中進(jìn)行網(wǎng)格剖分，大大簡(jiǎn)化操作，增強(qiáng)了軟件的前處理能力。同時(shí)仍然支持用戶調(diào)用多種宏命令方便地自定義各種復(fù)雜幾何模型。支持精確金屬墻的嵌入邊界、支持端口邊界：輸入輸出、支持周期和相移條件、支持準(zhǔn)確近似的Dey-Mittra網(wǎng)格剖分方法、支持理想匹配層邊界和MAL邊界，對(duì)曲面和復(fù)雜構(gòu)型能夠有效地提高電磁場(chǎng)計(jì)算的精度，可用于對(duì)3D全尺寸全物理的實(shí)際工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。

除自帶各種常見(jiàn)材料，還支持用戶自定義材料。支持無(wú)損耗和有損材料、支持非線性材料、支持各向同性和各向異性材料、支持二階色散材料、支持頻變電介質(zhì)材料。

粒子碰撞和蒙特卡羅模型

VSim通過(guò)蒙特卡羅模塊引入對(duì)粒子間碰撞和原子-分子電離過(guò)程的建模支持。包括虛碰撞模型、彈性碰撞、電荷交換碰撞、電子電離、碰撞電離、場(chǎng)電離、重組、碰撞電離、場(chǎng)電離、電子電離、電子散射、電荷交換、二元彈性、二元反應(yīng)、衰變、吸收、反射、表面電荷積累、半透明、三體重組、電子碰撞離解、激發(fā)、濺射、分解、電子俘獲、負(fù)電子剝離、離解電離、離解重組、非彈性二元反應(yīng)、電子-離子碰撞多次電離以及碰撞復(fù)合；原子的場(chǎng)致電離；不穩(wěn)定粒子的衰變等等。

粒子源模型

VSim支持各種帶電粒子發(fā)射模型，包括光電離、熱陰極發(fā)射、場(chǎng)致發(fā)射、二次電子發(fā)射，可以計(jì)算帶電和中性粒子、可變質(zhì)量、恒定質(zhì)量和管理質(zhì)量相對(duì)論、指定發(fā)射、表面電荷、壁面二次電子產(chǎn)生等等，可以對(duì)各種陰極和束流注入進(jìn)行有效的建模。

多物理場(chǎng)

VSim具有MultiField框架，支持用戶對(duì)電磁場(chǎng)模型進(jìn)行修訂和二次開(kāi)發(fā)，可以自行定義熱場(chǎng)、流場(chǎng)等，并和電磁場(chǎng)進(jìn)行耦合計(jì)算，提供多種接口供用戶做二次開(kāi)發(fā)使用。

大規(guī)模并行計(jì)算能力

VSim采用MPI進(jìn)行大規(guī)模并行計(jì)算，支持Windows和Linux系統(tǒng)，可以支持多達(dá)幾萬(wàn)核并行計(jì)算，采用了非時(shí)間計(jì)數(shù)器算法，大大提升了計(jì)算速度，在大規(guī)模并行計(jì)算時(shí)仍然能夠獲得很高的并行效率。

VSim功能模塊

1，VSimPA---高精度等離子體加速計(jì)算模塊

VSimPA是一個(gè)全面的軟件解決方案，可用于各種前沿的等離子體加速技術(shù)研究工作。VSimPA的用戶可以進(jìn)行電離注入、碰撞脈沖注入等各種類型的數(shù)值模擬。VSimPA通過(guò)引入包絡(luò)近似等簡(jiǎn)化方法，無(wú)論有無(wú)相位跟蹤，都可以在不分辨激光波長(zhǎng)的情況下，將激光尾場(chǎng)加速（LWFA）模擬為耗盡，并且可以使用受控色散算法保證精度。

VSimPA的計(jì)算引擎VORPAL已經(jīng)被用于多項(xiàng)科學(xué)發(fā)現(xiàn)，包括個(gè)Dream Beam的發(fā)現(xiàn)、穩(wěn)態(tài)GeV加速、密度梯度注入以及最近的特洛伊木馬模擬。自2004年被開(kāi)發(fā)出以來(lái)，VSimPA被數(shù)千篇科研文獻(xiàn)引用，是最經(jīng)常被引用的能夠模擬等離子體加速的軟件，也是等離子體加速研究中模擬結(jié)果信賴的軟件工具。

2，VSimPD---全面的放電等離子體計(jì)算模塊

VSimPD是一個(gè)專門(mén)用于等離子體演化過(guò)程模擬的多功能和*的PIC應(yīng)用軟件。VSimPD顯式跟蹤任意壓力背景氣體中的動(dòng)力學(xué)粒子種類，包括電子、離子和中性粒子之間的彈性碰撞、激發(fā)碰撞和電離碰撞的效應(yīng)。

VSim使用Tech-X公司的網(wǎng)格剖分算法和FDTD與PIC方法相結(jié)合的獨(dú)特算法，能夠快速、準(zhǔn)確地模擬多維復(fù)雜粒子動(dòng)力學(xué)。*的后處理功能允許進(jìn)行各種結(jié)果分析，而且由于VSim被設(shè)計(jì)為并行運(yùn)行，因此它很容易安裝在高性能計(jì)算系統(tǒng)上。VSimPD最初是由Tech-X科學(xué)家創(chuàng)建的，他們至今仍然是等離子體和計(jì)算物理領(lǐng)域的主要貢獻(xiàn)者，VSimPD是等離子體模擬領(lǐng)域面的解決方案。

3，VSimEM---復(fù)雜電磁學(xué)與靜電學(xué)計(jì)算模塊

VSimEM是一種經(jīng)過(guò)優(yōu)化的FDTD求解器，用于模擬復(fù)雜電介質(zhì)和金屬環(huán)境中的電磁學(xué)和靜電學(xué)。VSimEM的用戶可以通過(guò)用戶界面導(dǎo)入現(xiàn)有的CAD文件或構(gòu)建自己獨(dú)特的幾何圖形，并提供許多域特征和邊界條件選項(xiàng)。在VSimEM中，曲線幾何結(jié)構(gòu)采用二階精確算法進(jìn)行模擬，的圖形功能顯示詳細(xì)的場(chǎng)數(shù)據(jù)，以便進(jìn)行深入分析。

VSimEM可用于相控陣天線系統(tǒng)、雷達(dá)設(shè)備和光子學(xué)等應(yīng)用。利用VSimEM，用戶可以模擬高功率天線在等離子體環(huán)境中的狀態(tài)，或者有效地建立并模擬光子晶體和其他光學(xué)器件中的傳播模型。VSimEM能夠大規(guī)模地運(yùn)行具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題，并且被設(shè)計(jì)可以利用任何并行計(jì)算系統(tǒng)，這使得VSimEM成為復(fù)雜電磁學(xué)和靜電學(xué)的解決方案。

4，VSimMD---射頻和微波器件仿真計(jì)算模塊

VSimMD是模擬真空微波器件的模塊。VSimMD可以模擬Child-Langmuir空間電荷限制發(fā)射和Fowler-Nordheim隧穿發(fā)射等粒子物理現(xiàn)象，并提供功率、電壓和電子流等性能診斷結(jié)果數(shù)據(jù)。使用VSimMD，可以在一次模擬運(yùn)行中使用為高性能計(jì)算系統(tǒng)專門(mén)設(shè)計(jì)的算法快速計(jì)算出多個(gè)功率級(jí)別的多重作用結(jié)果。

*的后處理和的可視化功能提供詳細(xì)的輪廓和顆粒分布數(shù)據(jù)。VSimMD具有全套電磁和粒子建模功能，并用于從速調(diào)管到磁控管的組件設(shè)計(jì)周期，是當(dāng)今射頻和微波工程師的理想模擬工具。