一种无近似实现惯性电子流体方程的新型混合代码 (CHIEF)

我们提出了一种在代码 CHIEF（含惯性电子流体的混合代码）中实现的、用于模拟电子-离子等离子体的新型混合算法。该算法采用粒子云网格 (PiC) 方法对离子进行动力学建模，并将电子视为惯性流体，通过电子流体方程进行建模，未使用其他大多数含惯性电子流体的混合代码中所采用的任何近似。此类代码适用于模拟各种准中性等离子体现象，其中电子惯性和/或离子动力学效应至关重要。我们在此介绍模型的控制方程、这些方程的离散化和数值实现方式，以及用于验证我们数值方法的六个测试问题。我们选择的测试问题中，电子惯性和离子动力学效应起着关键作用，它们是：0) 激发平行本征模以检查数值收敛性和稳定性，1) 平行（于背景磁场）传播的电磁波，2) 垂直传播的静电波（离子伯恩斯坦模），3) 离子束右旋不稳定性（共振和非共振），4) 离子朗道阻尼，5) 离子火蛇不稳定性，以及 6) 二维倾斜离子火蛇不稳定性。我们的结果成功地复现了所有这些问题的线性和非线性理论预测，验证了我们的代码。该混合代码的所有特性使其成为研究电子和离子尺度之间多尺度现象（如无碰撞激波、磁重联以及耗散区电子尺度以上的动力学等离子体湍流）的理想工具。