能量守恒粒子网格算法中的有限空间网格效应
等离子体物理
2019-10-25 v1
摘要
有限网格（或混叠）不稳定性在粒子网格（PIC）等离子体模拟算法中普遍存在，并迫使建模者无论动力学相关性如何都必须分辨问题中的最小（德拜）长度尺度。这些不稳定性源于网格量与粒子（存在于时空连续统中）之间插值误差的混叠。近来，严格能量守恒的 PIC（EC-PIC）算法已被开发出来，有望增强对混叠不稳定性的鲁棒性。在本研究中，我们通过分析证实 EC-PIC 对静止等离子体在混叠不稳定性下是稳定的。对于漂移等离子体，我们通过分析与数值实验证明，尽管 EC-PIC 算法原则上不能免于这些不稳定性，但它们对有限温度等离子体具有一个良性的稳定性阈值，使其在不需空间分辨德拜长度的情况下，可实际用于一大类问题（具有双极性与真实离子–电子质量比）。我们也证明该阈值在流行的动量守恒 PIC 算法中不存在，因此其对漂移与静止等离子体均不稳定。
引用
@article{arxiv.1910.10833,
title = {Finite spatial-grid effects in energy-conserving particle-in-cell algorithms},
author = {D. C. Barnes and L. Chacon},
journal= {arXiv preprint arXiv:1910.10833},
year = {2019}
}
备注
17 pages, 12 figures