利用定制有限差分麦克斯韦求解器与基于局部 FFT 的电流修正控制 PIC 模拟中的数值切伦科夫不稳定性
计算物理
2017-04-05 v1
摘要
本文提出一种用于粒子胞算法 (particle-in-cell, PIC) 的定制有限差分时域 (FDTD) 麦克斯韦求解器。该求解器经定制，可有效消除当使用 PIC 算法时等离子体（中性或非中性）在网格上相对论性漂移所产生的数值切伦科夫不稳定性 (NCI)。我们通过沿漂移方向（ 方向）使用定制的高阶有限差分算子作用于空间导数，控制 FDTD 麦克斯韦求解器在等离子体漂移方向上的电磁色散曲线。我们表明这消除了具有中等 的主要 NCI 模式，同时将附加的主要 NCI 模式保持在具有更高 的物理关注范围之外。这些主要 NCI 模式可易于同同样位于基本布里渊区边缘的一次空间混叠 NCI 模式一起被滤除。该定制求解器具有改善并行可扩展性的潜在优势，因为它可易于沿 方向划分，而对于相关问题该方向通常比其它方向具有更多单元。我们表明可对每个划分上的电流执行局部 FFT，以滤除主要和一次空间混叠 NCI 模式，并修正电流使其满足针对定制空间导数的连续性方程。这确保了高斯定律得到满足。我们给出了一个相对论性漂移等离子体、两个碰撞相对论性漂移等离子体、以及洛伦兹增强参考系中的非线性激光尾场加速 (LWFA) 的模拟示例，表明当使用此定制麦克斯韦求解器及其 NCI 消除方案时，未观察到 NCI 迹象。
引用
@article{arxiv.1605.01496,
title = {Controlling the Numerical Cerenkov Instability in PIC simulations using a customized finite difference Maxwell solver and a local FFT based current correction},
author = {Fei Li and Peicheng Yu and Xinlu Xu and Frederico Fiuza and Viktor K. Decyk and Thamine Dalichaouch and Asher Davidson and Adam Tableman and Weiming An and Frank S. Tsung and Ricardo A. Fonseca and Wei Lu and Warren B. Mori},
journal= {arXiv preprint arXiv:1605.01496},
year = {2017}
}