采用先进麦克斯韦求解器算法的相对论磁重联粒子模拟
高能天体物理现象
2023-07-19 v1 计算工程、金融与科学
摘要
相对论磁重联是一种非理想等离子体过程，是许多高能天体物理系统中非热粒子加速的来源。粒子模拟（PIC）方法常用于从第一性原理模拟重联。尽管在理解重联物理方面已取得诸多进展，尤其是在二维情况下，但采用先进算法和数值技术来高效建模此类系统仍较为有限。利用 GPU 加速的 PIC 代码 WarpX，我们探讨了两种先进麦克斯韦求解器算法的精度和潜在性能优势：一种非标准有限差分格式（CKC）和一种超高阶伪谱方法（PSATD）。我们发现，对于相对论重联问题，CKC 和 PSATD 在定性与定量上均与标准 Yee 网格有限差分方法一致。CKC 和 PSATD 均允许比 Yee 长 40% 的时间步长，使得 CKC 的求解时间加快约 40%，但在采用满足高斯定律的电流沉积方案时，PSATD 并无性能优势。放宽该约束可保持精度并带来 30% 的加速。与 Yee 和 CKC 不同，PSATD 在任意时间步长下数值稳定，允许比有限差分方法更大的时间步长。我们发现，将时间步长提高到标准 Yee 步长的 2.4–3 倍仍能给出准确结果，但由于 PSATD 所用的电流沉积方案，相对于 CKC 仅带来 modest 的性能改进。进一步优化该方案有望提升 PSATD 的有效性能。
引用
@article{arxiv.2304.10566,
title = {Particle-in-Cell Simulations of Relativistic Magnetic Reconnection with Advanced Maxwell Solver Algorithms},
author = {Hannah Klion and Revathi Jambunathan and Michael E. Rowan and Eloise Yang and Donald Willcox and Jean-Luc Vay and Remi Lehe and Andrew Myers and Axel Huebl and Weiqun Zhang},
journal= {arXiv preprint arXiv:2304.10566},
year = {2023}
}
备注
19 pages, 10 figures. Submitted to ApJ