将配备朗道闭合的多流体动力学与粒子模拟方法耦合

粒子模拟（PIC）方法被成功用于研究磁化等离子体。然而，这需要巨大的计算代价，并将模拟限制于较短的物理运行时间，且常限于少于三个空间维度的设置。传统上，这或者通过混合-PIC 方法（采用无质量电子）或者通过磁流体-PIC 方法（将背景等离子体建模为单一电荷中性磁流体动力学流体）来规避。由于这两种方法均无法模拟重要的等离子体动理学效应，我们引入一种新的流体-PIC 代码，通过电流耦合方案将完全显式且电荷守恒的多流体求解器与 PIC 代码 SHARP 耦合，并求解完整的麦克斯韦方程组。这避免了通常为欧姆定律采用的简化，使我们能够完全分辨电子的时间与空间尺度，同时保留以任意速度分布初始化任意数量离子、电子或中性粒子的灵活性。该流体求解器包含模拟朗道阻尼的闭合，从而可在流体物种中考虑这一重要动理学过程。我们的流体-PIC 代码在空间与时间上均二阶精确。该代码通过若干测试问题成功验证，包括激波的稳定性与精度，以及非磁化与磁化等离子体中波的色散关系与阻尼率。与线性理论及 PIC 模拟相比，它同样匹配磁化热背景等离子体中由漂移带电粒子驱动的回旋尺度与中间尺度不稳定性的增长率与饱和水平。这一新的流体-SHARP 代码专为研究高能宇宙射线在宏观时间尺度上与热等离子体的相互作用而设计。