一种能量与电荷守恒的非线性隐式电磁 1D-3V Vlasov-Darwin 粒子模拟算法
等离子体物理
2017-01-04 v1 计算物理
摘要
近期一项原理验证研究提出了一种一维非线性静电隐式粒子模拟 (PIC) 算法 (Chen, Chacon, Barnes, J. Comput. Phys. 230 (2011) 7018)。该算法采用动力学从属的无雅可比牛顿 - 克里洛夫 (JFNK) 方法，并在数值舍入误差范围内守恒能量和电荷。在本研究中，我们将该方法推广至使用麦克斯韦方程组 Darwin 近似的电磁模拟中，该近似通过滤除光波避免了辐射混叠噪声问题。我们将隐式轨道平均时空中心有限差分格式同时应用于一维 Darwin 场方程（势形式）和一维 - 三维速度 (1D-3V) 粒子轨道方程，从而构建出一个精确守恒电荷和能量的离散系统。此外，借助隐式 Darwin 方程，通过对磁场施加适当的散射规则，强制实现了任意可忽略方向上每个粒子的正则动量精确守恒。多项一维数值实验验证了该算法的精度及其守恒特性。
引用
@article{arxiv.1310.1832,
title = {An energy- and charge-conserving, nonlinearly implicit, electromagnetic 1D-3V Vlasov-Darwin particle-in-cell algorithm},
author = {Guangye Chen and Luis Chacon},
journal= {arXiv preprint arXiv:1310.1832},
year = {2017}
}
备注
24 pages, 4 figures