非结构化轴对称电磁粒子-in-Cell算法：径向全匹配层与双极化
数值分析
2024-05-16 v2 数值分析
计算物理
摘要
已开发出一种新型电磁粒子-in-Cell算法, 用于在复杂轴对称几何中非结构化(不规则)网格上的全动力学等离子体模拟。该算法在 BORPIC++ 代码中实现, 利用场缩放和坐标映射, 将圆柱坐标系中的 Maxwell 场问题降低为在 meridian 平面上的笛卡尔有限元 Maxwell 求解器。后者消除了坐标奇异性在对称轴上的问题。非结构化有限元离散化的选择增强了 BORPIC++ 求解器的几何灵活性, 相较于更传统的有限差分求解器具有优势。探索了麦克斯韦方程中的对称性, 将问题分解为两个等价的双极化状态, 其等价表示使代码重用成为可能。粒子-in-Cell 的 scatter 和 gather 步骤在离散层面上保持电荷守恒。我们以前的算法 (BORPIC+) 将 TE-phi 和 TM-phi 极化状态的 E 和 B 场分量在有限元(原语)网格上离散化。在径向方向上实现圆柱坐标全匹配层作为边界条件, 以模拟开放空间问题, 在轴向上采用周期边界条件。我们研究了接近圆柱坐标全匹配层的带电粒子运动的影响。我们对由旋转运动的带电环产生的方位电流进行建模, 这些电流产生 TM-phi 偏�态场。提供了若干数值实例以阐明该算法的首次应用。
关键词
引用
@article{arxiv.2405.07396,
title = {An Unstructured Body-of-Revolution Electromagnetic Particle-in-Cell Algorithm with Radial Perfectly Matched Layers and Dual Polarizations},
author = {Dong-Yeop Na and Fernando L. Teixeira and Yuri A. Omelchenko},
journal= {arXiv preprint arXiv:2405.07396},
year = {2024}
}
备注
This manuscript has been accepted for the publication in Computer Physics Communications COMPHY-D-23-00476R4 (May 11, 2024)