通过平滑抑制粒子网格模拟中的网格不稳定性和噪声

平滑短波长电荷密度变化可以将显式静电粒子网格（PIC）等离子体模拟稳定地对抗网格加热和冷束不稳定性，后者在德拜长度解析不佳时会导致非物理加热。我们通过求解色散关系并运行一维静电 PIC 模拟来证明这一点，使用了一种利用泊松求解器的高效平滑算法。为确保稳定性，平滑半径必须随每个网格内的德拜长度数量而增加。平滑还抑制了粒子噪声，而粒子噪声在德拜长度解析不佳时会严重加剧。为了帮助确定最优 PIC 配置，我们以德拜长度分辨率、平滑和每个网格的粒子数为函数，对一维 PIC 模拟中的电场噪声、粒子速度扩散和非物理能量交换进行了经验表征。我们还展示了 PIC 噪声如何导致测试粒子表现出误导性行为。由于平滑降低了有效分辨率，最优网格尺寸小于期望分辨率但可以远大于德拜长度，从而降低计算开销。