ThunderBoltz：一个用于等离子体输运、化学动力学与零维等离子体建模的基于 DSMC 的开源玻尔兹曼求解器
等离子体物理
2023-10-13 v1
摘要
等离子体-中性粒子相互作用（包括反应动力学）通常在零维下使用基于 ODE 的描述进行研究，或在多维流体或基于粒子的等离子体代码中研究。后者涉及一套复杂的流程，而在检验基于粒子的描述中底层物理模型与机制的影响时，这些流程并非总是必要。本文介绍 ThunderBoltz，一个轻量、公开可用的零维直接模拟蒙特卡洛（DSMC）代码，旨在容纳物种的通用组合与任意截面，且无需昂贵的场求解开销。它能在外加交流/直流 场和静态 场情形下高效产生高质量的电子、离子和中性粒子速度分布。该代码基于 C++ 标准库构建，并包含便捷的 Python 接口，可用于输入文件生成（包括兼容来自 LXCat 数据库的截面数据）、电子输运与反应速率常数后处理、输入参数约束满足、计算调度和诊断绘图。本工作中，我们将 ThunderBoltz 的输运计算与 Bolsig+ 计算、基准测试问题及群团实验数据进行比较，发现在相应场 regime 下与三者均吻合良好。此外，我们给出了电子、离子与背景中性粒子物种自洽演化的示例用例，提供了对背景动力学建模的能力，这是固定背景蒙特卡洛与 n 项玻尔兹曼求解器所不具备的特征。后一功能使得基于粒子的等离子体及中性物种化学动力学模拟成为可能，是替代基于 ODE 方法的新途径。
引用
@article{arxiv.2310.07913,
title = {ThunderBoltz: An Open-Source DSMC-based Boltzmann Solver for Plasma Transport, Chemical Kinetics, and 0D Plasma Modeling},
author = {Ryan Park and Brett S. Scheiner and Mark C. Zammit},
journal= {arXiv preprint arXiv:2310.07913},
year = {2023}
}