显式、电静学动量和能量守恒粒子-in-cell 算法的网格不稳定性增长率
等离子体物理
2025-09-18 v2 计算物理
摘要
当 Debye 长度在使用最常见的粒子-in-cell (PIC) 算法进行仿真时未被分辨率化时，等离子体将不可物理地加热，直到通过一种称为网格加热的现象使 Debye 长度被分辨率化。本文对多种显式 PIC 算法进行详细的数值测量，包括对 Debye 长度分辨率和漂移速度参数空间进行的第一个系统性研究，探讨了最常见的电静学动量守恒 PIC 算法的网格加热增长率。此外，我们推导并测试了一种基于三次样条的 PIC 算法，确保插值电场的一阶导数连续，但发现可微的电场对网格加热稳定性几乎没有影响。也考虑了具有线性和二次插值函数的能量守恒 PIC 算法。在所有情况下，我们都发现对于某些 Debye ularization 和等离子体漂移的组合，都可能发生非物理加热。我们通过解析和数值方法表明，网格加热无法通过使用更高阶场求解来消除，并给出一些能量守恒算法的冷束稳定性极限的解析表达式。
关键词
引用
@article{arxiv.2503.13697,
title = {Grid instability growth rates for explicit, electrostatic momentum- and energy-conserving particle-in-cell algorithms},
author = {Luke C Adams and Gregory R Werner and John R Cary},
journal= {arXiv preprint arXiv:2503.13697},
year = {2025}
}
备注
Accepted version, 15 pages, 6 figures