伪谱解析时域 PIC 算法的数值稳定性分析
计算物理
2015-06-16 v2 加速器物理
等离子体物理
空间物理
摘要
伪谱解析时域 (PSATD) 粒子网格 (PIC) 算法能够精确求解真空 Maxwell 方程组，没有（传统定义的）Courant 时间步长限制，并在等离子体和粒子束模拟中提供了极大的灵活性。然而，当应用于相对论束流模拟时，它并非没有通常的数值不稳定性，包括数值切伦科夫不稳定性。本文推导并求解了 PSATD 算法的数值色散关系，并将结果与更传统的伪谱时域 (PSTD) 和有限差分时域 (FDTD) 算法的相应行为进行了比较。总体而言，PSATD 在合理的时间步长范围内提供了更优越的稳定性特性。更重要的是，PSATD 算法的一个版本在与轴向网格尺寸相当或更小的时间步长（按光速缩放）下，结合数字滤波后，几乎完全消除了数值切伦科夫不稳定性。
引用
@article{arxiv.1305.7375,
title = {Numerical stability analysis of the Pseudo-Spectral Analytical Time-Domain PIC algorithm},
author = {Brendan B. Godfrey and Jean-Luc Vay and Irving Haber},
journal= {arXiv preprint arXiv:1305.7375},
year = {2015}
}
备注
38 pages, 16 figures, 2 tables; Fig 15 revised, reference added, link to supplementary material corrected, option (c) discussion expanded, use of smaller gamma in LPA time-step sweeps emphasized, minor typos corrected