非均匀磁化等离子体中粒子-波相互作用的结构保持多尺度求解器
数值分析
2025-05-27 v1 数值分析
等离子体物理
摘要
粒子-波相互作用在等离子体物理中具有基础性意义，尤其在磁约束聚变中逃逸电子的研究中。类似于光子和声子的概念，等离子体中的波包也可被视为准粒子，称为等离激元。为了对等离子体中电子与等离激元的“混合”进行建模，基于弱湍极限和 Wentzel-Kramers-Brillouin (WKB) 近似，推导出了一组“碰撞”动力学方程。在数值求解电子-等离激元动力学系统时存在两个主要挑战。首先，非均匀的等离子体密度和磁场导致高维数和多个时间尺度的出现。其次，物理上可靠的数值解需要一种保持结构的格式，以强制质量、动量和能量守恒。在本文中，我们提出了一种用于非均匀磁化等离子体中粒子-波相互作用的结构保持多尺度求解器。该求解器将用于相互作用部分的守恒型局部间断 Galerkin (LDG) 格式与用于等离激元哈密顿流部分的轨迹平均方法相结合。给出了无限长对称圆柱体中非均匀磁化等离子体的数值算例。验证表明，LDG 格式严格保持了所有守恒律，且轨迹平均方法显著降低了计算成本。
引用
@article{arxiv.2505.20210,
title = {A structure-preserving multiscale solver for particle-wave interaction in non-uniform magnetized plasmas},
author = {Kun Huang and Irene M. Gamba and Chi-Wang Shu},
journal= {arXiv preprint arXiv:2505.20210},
year = {2025}
}