磁流体动力学模拟与嵌入式粒子模拟的双向耦合
计算物理
2017-10-25 v1 等离子体物理
空间物理
摘要
我们描述了一种将磁流体动力学 (MHD) 模拟中的嵌入区域与粒子模拟 (PIC) 方法相耦合的方法。在这种双向耦合中，我们沿用了 Daldorff 等人的工作，其中 PIC 区域从 MHD 变量接收其初始和边界条件（MHD 到 PIC 耦合），而 MHD 模拟则基于 PIC 变量进行更新（PIC 到 MHD 耦合）。该方法可用于模拟大型等离子体系统，在这些系统中，由粒子模拟捕获的动力学效应是局域化的，但会影响全局动力学。我们描述了该耦合的数值实现、其时间步进算法及其并行化策略，并强调了其中的新颖之处。我们通过模拟稳态等离子体测试了该方法的稳定性和能量/动量守恒性。我们通过使等离子体波穿过嵌入的 PIC 区域来测试该耦合的动力学特性。与 MHD 的耦合对快磁声波显示了令人满意的结果，但对圆偏振 Alfvén 波则出现了显著失真。与 Hall-MHD 的耦合对哨声波显示了极佳的耦合效果。我们还将该方法应用于模拟 Geospace Environmental Modeling (GEM) 挑战类型的重联，其中扩散区由 PIC 模拟，并与更大尺度的 MHD 和 Hall-MHD 相耦合。在这两种情况下，我们都在 PIC 区域看到了预期的动力学重联特征，这意味着该方法可用于重联研究。
引用
@article{arxiv.1708.02877,
title = {Two-way coupling of magnetohydrodynamic simulations with embedded particle-in-cell simulations},
author = {Kirit Makwana and Rony Keppens and Giovanni Lapenta},
journal= {arXiv preprint arXiv:1708.02877},
year = {2017}
}
备注
To be published in Computer Physics Communication