一种用于等离子体中输运与碰撞效应的统一气体动理学格式
计算物理
2018-10-18 v2
摘要
在本研究中,采用统一气体动理学格式(UGKS)求解带或不带碰撞项的等离子体 Vlasov-Poisson 方程。Vlasov 方程是描述由具有长程相互作用的带电粒子组成的等离子体的分布函数随时间演化的微分方程。分布函数在离散粒子速度空间中进行离散。将 Vlasov 方程在物理空间的有限体积内积分后,计算跨越单元界面的数值通量以及用于粒子加速的源项,以更新下一时间步的分布函数。通量由黎曼问题决定,离散粒子速度空间中分布函数的变化采用中心差分法计算。在 Vlasov 方程中引入了电子-离子碰撞模型。这种用于 UGKS 的有限体积法耦合了粒子间的自由输运与长程相互作用。带电粒子诱导的电场由 Poisson 方程控制。本文中,Poisson 方程采用格林函数求解受对称或周期边界条件约束的二维等离子体系统。通过线性 Landau 阻尼与高斯束两个数值测试验证了所提方法。基于电子-离子碰撞算子模拟了线性电子等离子体波阻尼。与以往方法相比,表明当前方法能够以远大于粒子碰撞时间的时间步长获得 Vlasov-Poisson 方程的精确结果。高度非平衡与稀薄等离子体流动,例如由电磁场驱动的电子流,可以轻松模拟。
引用
@article{arxiv.1801.01330,
title = {A unified gas kinetic scheme for transport and collision effects in plasma},
author = {Dongxin Pana and Chengwen Zhong and Congshan Zhuo and Wei Tan},
journal= {arXiv preprint arXiv:1801.01330},
year = {2018}
}
备注
33 pages, 13 figures