均匀磁场中任意磁化等离子体的隐式、守恒且渐近保持的静电粒子胞算法
计算物理
2023-05-31 v2 等离子体物理
摘要
我们提出了一种新型静电粒子胞（particle-in-cell, PIC）算法，在均匀外磁场下能够采用远大于粒子回旋周期的时间步长。该算法在早先的静电全隐式 PIC 实现基础上，扩展了一种新的渐近保持粒子推进格式，允许时间步长远大于粒子回旋周期。在大时间步长极限下，该积分器保留所有粒子漂移，同时在小时间步长时恢复完整轨道。该方案可无缝、高效地处理同时存在磁化与非磁化种类的粒子，并精确守恒能量与电荷而不损害隐式求解器性能。我们通过若干具有可变种类磁化的问题（diocotron 不稳定性、修正双流不稳定性与漂移不稳定性）的数值实验证明，相较于标准全隐式静电 PIC 算法，可在不牺牲求解精度的前提下实现数量级的墙钟时间加速。
引用
@article{arxiv.2205.09187,
title = {An implicit, conservative and asymptotic-preserving electrostatic particle-in-cell algorithm for arbitrarily magnetized plasmas in uniform magnetic fields},
author = {Guangye Chen and Luis Chacón},
journal= {arXiv preprint arXiv:2205.09187},
year = {2023}
}