AHKASH：用于模拟天体无碰撞等离子体的混合型粒子-in-cell 代码

我们介绍了 $\texttt{A}$strophysical $\texttt{H}$ybrid-$\texttt{K}$inetic simulations with the $\texttt{flASH}$ code（$\texttt{AHKASH}$）——一个基于多物理学代码 $\texttt{FLASH}$ 开发的新的混合型粒子-in-cell（PIC）代码。新代码采用二阶精确的 Boris 积分器和 predictor-predictor-corrector 算法求解混合-动力学方程，利用 constraint transport 方法确保磁场无发散。代码支持多种粒子与网格单元之间的插值方案，并采用后插值平滑以减少有限粒子噪声。我们进一步实现了 $\delta f$ 方法以研究弱碰撞等离子体中的不稳定性。对新代码进行了标准物理问题测试，包括带电粒子在均匀和空间变化磁场中的运动、Alfvén 和 whistler 波的传播，以及离子声波的 Landau 阻尼。我们测试了不同的插值核，证明了进行后插值平滑的必要性。我们将 $\texttt{TurbGen}$ 涡流驱动模块耦合到新的混合 PIC 代码中，允许在高度复杂的物理问题上进行测试，即涡流湍动力学。为了维持固定的声学马赫数数值的稳态涡流，保持等温等离子体条件至关重要。因此，我们引入一种新的混合 PIC 代码的冷却方法，并对该方法进行测试和校准，以维持等温等离子体。我们描述并测试了“混合精度”方法，该方法可显著降低（约 1.5 倍）计算成本，而不会影响数值解的准确性。最后，我们测试了新代码的并行可扩展性，表明其在 10,000 核上表现出优异的扩展性能。