漂移波不稳定性与湍流的场论及保结构几何粒子网格算法
等离子体物理
2020-01-08 v1
摘要
我们发展了一种场论及相应的保结构几何粒子网格（PIC）算法，用于研究磁化等离子体中具有完全动力学离子和绝热电子的低频静电扰动。该算法通过离散外微积分、高阶Whitney插值形式和非正则哈密顿分裂方法对场论进行几何离散化而构建。该离散化保留了粒子-场系统的非正则辛结构以及电磁规范对称性。因此，该算法守恒电荷并具有长期守恒性质。由于漂移波湍流和异常输运本质上涉及多时间尺度，使用完全动力学粒子的模拟研究要求具有长期精度和保真度的算法。所发展的保结构几何PIC算法充分服务于这一目的。该算法已在SymPIC代码中实现，并使用离子伯恩斯坦波和漂移波的算例进行了测试和基准比对。我们应用该算法研究二维平板几何中的离子温度梯度（ITG）不稳定性与湍流。模拟结果表明，在湍流早期，能量扩散介于Bohm标度和回旋Bohm标度之间。在较晚时刻，观测到的扩散更接近回旋Bohm标度，且由不稳定模破裂产生的密度团块是充分发展的ITG湍流的显著结构。
引用
@article{arxiv.1902.03898,
title = {Field theory and structure-preserving geometric particle-in-cell algorithm for drift wave instability and turbulence},
author = {Jianyuan Xiao and Hong Qin},
journal= {arXiv preprint arXiv:1902.03898},
year = {2020}
}