采用 Esirkepov 算法的相对论束流多维 PIC 模拟的数值稳定性
等离子体物理
2014-07-29 v1 加速器物理
摘要
在基于等离子体的粒子加速器、天体物理现象和相对论带电粒子束的多维粒子网格 (PIC) 计算机模拟中，迅速增长的数值不稳定性经常发生。除了某些时间步长与轴向网格尺寸之比可使数值增长率和饱和水平大幅降低的情况外，将不稳定性增长降低到可接受水平通常需要更高分辨率的网格、高阶场求解器、电流滤波等。本文推导并求解了多维相对论电磁粒子网格程序中的冷束流色散关系以分析数值不稳定性，这些程序在交错网格上采用标准或 Cole-Karkkainen 有限差分场求解器，并使用通用的 Esirkepov 电流收集算法。所得结果与先前报道的 WARP 代码结果吻合良好。特别是，解释了存在某些可使不稳定性最小化的特定时间步长的原因。此外，提出了一种替代的场插值算法，对于该算法，在超相对论模拟的特定时间步长下，不稳定性几乎被完全消除。
引用
@article{arxiv.1211.0232,
title = {Numerical stability of relativistic beam multidimensional PIC simulations employing the Esirkepov algorithm},
author = {Brendan B. Godfrey and Jean-Luc Vay},
journal= {arXiv preprint arXiv:1211.0232},
year = {2014}
}