粒子模拟(PIC)中的能量与动量守恒
等离子体物理
2016-06-22 v1 计算物理
摘要
粒子模拟(PIC)等离子体模拟是研究非线性等离子体现象的一个富有成效且受重视的工具，然而关于模拟方法本身的一些基本问题仍未得到解答。在此我们研究这样一个问题：PIC 的能量与动量守恒。我们采用一维静电等离子体的分析与模拟，以理解为何 PIC 模拟要么守恒能量要么守恒动量但不可兼得，数值稳定性在非守恒中的作用是什么，以及守恒误差如何随数值参数缩放。同时守恒动量与能量使得建模诸如 Jeans 型平衡这样的问题成为可能。避免数值不稳定性是有用的，但能够识别其效应对结果可能重要之时也同样有用。设计以最少精力付出实现最佳可能精度的模拟，需要关于误差随数值参数缩放的结果。我们的结果指出了高斯定律在动量与能量两者守恒中的核心作用，以及能量守恒与动量守恒模拟在数值稳定性和误差缩放上的显著差异。
引用
@article{arxiv.1510.08741,
title = {On Energy and Momentum Conservation in Particle-in-Cell Simulation},
author = {J. U. Brackbill},
journal= {arXiv preprint arXiv:1510.08741},
year = {2016}
}