一种具有有限阶中心化的节点-交错混合伪谱电磁粒子模拟方法
计算物理
2022-07-20 v1 等离子体物理
摘要
电磁粒子模拟（PIC）代码被广泛用于对各种物理系统进行计算机模拟，包括聚变等离子体、天体物理等离子体、等离子体尾场粒子加速器以及由超强激光驱动的二次光子源。在 PIC 代码中，麦克斯韦方程在网格上用所选的数值方法求解。本文聚焦于伪谱解析时域（PSATD）算法，并提出一种新颖的混合 PSATD PIC 方案，该方案结合了标准节点法和交错法各自的优点。该混合方案的新颖之处在于使用网格量在节点网格与交错网格之间的有限阶中心化，从而将麦克斯韦方程在交错网格上的求解与电荷和电流的沉积以及电磁力的 gathering 在节点网格上进行结合。通过采用不同类别 PSATD 方程、涵盖从真空中电子-正电子对产生建模到激光驱动和粒子束驱动等离子体尾场加速模拟等多种物理场景的数值测试，评估了该新颖混合方案的正确性与性能。结果表明，对于所有给出的测试用例，与纯节点法或纯交错法相比，该新颖混合方案具有显著的数值与计算优势。
引用
@article{arxiv.2106.12919,
title = {A Hybrid Nodal-Staggered Pseudo-Spectral Electromagnetic Particle-In-Cell Method with Finite-Order Centering},
author = {Edoardo Zoni and Remi Lehe and Olga Shapoval and Daniel Belkin and Neil Zaïm and Luca Fedeli and Henri Vincenti and Jean-Luc Vay},
journal= {arXiv preprint arXiv:2106.12919},
year = {2022}
}
备注
39 pages, 15 figures, submitted to Computer Physics Communications