基于保守隐式 BGK 碰撞算子的 ASDEX-Upgrade 擦除层轴对称性 gyrokinetic 模拟
等离子体物理
2025-11-14 v2
摘要
碰撞在等离子体湍流和输运中发挥重要作用。对于动力学模拟，当碰撞性增强时，显式时间积分方案中分辨碰撞物理所需的时间步长会变得过于严格，导致高计算成本。为克服这一限制，我们在 Gkeyll 框架内的 discontinuous Galerkin (DG) full-f gyrokinetic 求解器中实现了一个隐式 Bhatnagar-Gross-Krook (BGK) 碰撞算子。该算子结合 Gkeyll 传统的显式时间积分器用于无碰撞输运，可显著提高高碰撞 regime 下的模拟时间步长。为确保密度、动量和能量守恒，我们采用迭代方案纠正离散化的平衡 Maxwellian 分布近似值，即 BGK 碰撞算子所归一化的分布。我们进一步推广了 BGK 基础设施，包括隐式方案和纠正程序，以处理跨物种碰撞。该改进的隐式保守 BGK 算子经与在 Gkeyll 中先前研究中使用的更精确但计算更昂贵的 Lenard-Bernstein-Dougherty (LBD) 算子进行基准测试。隐式 BGK 算子使 ASDEX-Upgrade 擦除层的 2D 轴对称性模拟完成速度比使用 LBD 算子快 56 倍，因为 BGK 算子更稳健，其收敛所需分辨率低于 LBD 算子。此外，在更高碰撞极限下，我们演示使用隐式 BGK 算子进行的模拟结果与使用计算更昂贵的 LBD 算子进行的模拟结果良好一致。
引用
@article{arxiv.2507.22821,
title = {Axisymmetric Gyrokinetic Simulation of ASDEX-Upgrade Scrape-off Layer Using a Conservative Implicit BGK Collision Operator},
author = {D. Liu and J. Juno and G. W. Hammett and A. Hakim and A. Shukla and M. Francisquez},
journal= {arXiv preprint arXiv:2507.22821},
year = {2025}
}