用于部分电离等离子体多尺度流动仿真的统一气动波-粒子方法

构建了用于部分电离等离子体 (PIP) 的统一气动波-粒子 (UGKWP) 方法。该方法具备多尺度和统一保持 (UP) 特性。多尺度特性使方法能够捕捉从等离子体物理中粒子传输到两流体和磁流体动力学 (MHD) 在接近连续体尺度的广泛范围，具体取决于局部细胞 Knudsen 数和归一化 Larmor 半径的变化。统一保持特性确保在连续体尺度下捕捉电阻、霍尔效应以及一切理想 MHD 方程的耗散宏观解时，数值时间步长不受粒子碰撞时间的限制。UGKWP 明显不同于经典的单尺度粒子-in-Cell/Monte Carlo 碰撞 (PIC/MCC) 方法。UGKWP 方法将微观速度分布的演化与宏观平均场量的演化相结合，从而具有 UP 特性。此外，UGKWP 中的时间步长通过用于流体和电磁场相互作用的 Crank-Nicolson 方案，不受等离子体圆环周期的限制。不同物种之间的动量和能量交换通过 Andries-Aoki-Perthame (AAP) 模型来近似。总体而言，UGKWP 方法实现了从稀薄 regime 中的 PIC 方法到连续体 regime 中的 MHD 求解器的平滑过渡。该方法在从动力学 Landau 阻尼到宏观流动问题（如 Brio-Wu 洞洞管、Orszag-Tang 涡旋以及 Geospace Environmental Modeling (GEM) 磁重联）的各种现象上进行了广泛测试。这些测试表明，所提出的方法能够无缝地捕捉 PIP 在不同尺度上的基本特征。