用于天体物理等离子体的混合回旋动理学离子与等温电子流体模拟程序
等离子体物理
2018-02-05 v2 计算物理
摘要
本文描述了一个用于模拟天体物理等离子体的新程序，该程序求解由回旋动理学离子（GKI）和等温电子流体（ITEF）组成的混合模型 [A. Schekochihin et al., Astrophys. J. Suppl. \textbf{182}, 310 (2009)]。该模型捕获了在离子回旋半径尺度附近重要的离子动理学效应，而电子动理学效应则通过电子-离子质量比展开被作为高阶小项略去。该程序通过将 ITEF 近似纳入 {\tt AstroGK}（一个专门针对平板几何的欧拉 回旋动理学程序 [R. Numata et al., J. Compute. Pays. \textbf{229}, 9347 (2010)]）而开发。新程序对 ITEF 方程中的线性项采用隐式处理，而对非线性项采用显式处理。我们展示了线性和非线性基准测试，以证明该模拟程序的有效性和适用性。由于快速电子时间尺度被质量比展开消除，Courant--Friedrichs--Lewy 条件的限制远不如全回旋动理学程序严格；在单一离子物种和动理学电子的情况下，本混合程序的运行速度比 {\tt AstroGK}\ 快约 倍，其中 为离子-电子质量比。计算时间的改进使得以高速度空间分辨率执行离子尺度回旋动理学模拟成为可能，并能够进行多次模拟以确定湍流动力学对电子-离子温度比和等离子体 beta 等参数的依赖关系。
引用
@article{arxiv.1708.07235,
title = {A Hybrid Gyrokinetic Ion and Isothermal Electron Fluid Code for Astrophysical Plasma},
author = {Y. Kawazura and M. Barnes},
journal= {arXiv preprint arXiv:1708.07235},
year = {2018}
}