粒子模拟等离子体的动力学理论与系综平均技术
等离子体物理
2022-09-13 v1
摘要
我们推导了静电等离子体在物理和数值稳定的粒子模拟（PIC）中涨落的动力学理论。起点是模拟开始时等离子体粒子相空间中宏粒子中心加权密度统计涨落之间的单时关联。然后，由现代PIC代码计算的宏粒子离散类克里蒙托维奇方程和场麦克斯韦方程的拉普拉斯-傅里叶变换，确定所有时间步和每个空间网格单元中的单时关联。我们恢复了静电场和等离子体粒子密度涨落自关联谱的表达式，以及描述PIC模拟等离子体粒子平均演化的动力学方程，这些最初由Langdon于1970年使用宏粒子测试方法扰动离散弗拉索夫等离子体然后对所获物理量在初始宏粒子速度分布上平均而推导得出。我们将这些结果推广并扩展到现代PIC代码算法及任意宏粒子权重。利用每单元大量宏粒子极限下的中心极限定理，推导了统计涨落单时关联幅值作为等离子体模拟参数函数的解析估计。该理论随后用于分析PIC模拟的系综平均技术，其中统计平均是在模拟同一等离子体物理问题但使用宏粒子初始分布函数不同统计实现的PIC模拟系综上进行的。
引用
@article{arxiv.2208.06375,
title = {Kinetic theory of particle-in-cell simulation plasma and the ensemble averaging technique},
author = {Michael Touati and Romain Codur and Frank Tsung and Viktor K Decyk and Warren B Mori and Luis O Silva},
journal= {arXiv preprint arXiv:2208.06375},
year = {2022}
}
备注
38 pages, 11 figures