Алгоритмы движения в методе частиц в ячейках
DOI:
https://doi.org/10.26089/NumMet.v22r418Ключевые слова:
модификация метода Бориса, гибридные численные модели, метод частиц в ячейках, магнитная гидродинамика, кинетическое уравнение Власова, уравнения Максвелла, вычислительная физика плазмыАннотация
В настоящей работе представлен новый метод решения уравнений движения заряженных частиц в электромагнитных полях и проведено его сравнение с различными известными модификациями метода Бориса. Созданные двумерный и трехмерный алгоритмы основаны на использовании точного решения дифференциального уравнения для скорости заряженной частицы на шаге по времени. Сравнительный анализ метода Бориса и его модификаций проводился как по точности методов, так и по времени их работы. Новая модификация метода Бориса позволяет точнее вычислять траекторию и скорость заряженной частицы без значительного увеличения сложности расчетов. Показано, что при выборе модификации метода Бориса для решения задачи в первую очередь следует обращать внимание на точность решения, так как более простая и быстрая схема может не дать выигрыша по времени.
Библиографические ссылки
F. H. Harlow, “The Particle-in-Cell Computing Method for Fluid Dynamics,” in Methods in Computational Physics: Advances in Research and Applications (Academic Press, New York, 1964), Vol. 3, pp. 319-345.
Yu. A. Berezin and V. A. Vshivkov, The Particle-in-Cell Method in Rarefied Plasma Dynamics (Nauka, Novosibirsk, 1980) [in Russian].
J. P. Boris, “Relativistic Plasma Simulation-Optimization of a Hybrid Code,” in Proc. 4th Conf. on Numerical Simulation of Plasmas, Washington, DC, USA, November 2-3, 1970 (Naval Res. Lab., Washington, DC, 1971), pp. 3-67.
C. K. Birdsall and A. B. Langdon, Plasma Physics via Computer Simulation (McGraw-Hill, New York, 1985; Energoatomizdat, Moscow, 1989).
H. Qin, S. Zhang, J. Xiao, et al., “Why is Boris Algorithm so Good?’’ Phys. Plasmas 20 (2013).
doi 10.1063/1.4818428
T. Umeda, “A Three-Step Boris Integrator for Lorentz Force Equationof Charged Particles,” Comput. Phys. Commun. 228, 1-4 (2018).
doi 10.1016/j.cpc.2018.03.019
T. Umeda, “Multi-Step Boris Rotation Schemes for Lorentz ForceEquation of Charged Particles,” Comput. Phys. Commun. 237, 37-41 (2019).
doi 10.1016/j.cpc.2018.11.001
S. Zenitani and T. N. Kato, “Multiple Boris Integrators for Particle-in-Cell Simulation,” Comput. Phys. Commun. 247 (2019).
doi 10.1016/j.cpc.2019.106954
S. Zenitani and T. Umeda, “On the Boris Solver in Particle-in-Cell Simulation,” Phys. Plasmas 25 (2018).
doi 10.1063/1.5051077
B. Ripperda, F. Bacchini, J. Teunissen, et al., “A Comprehensive Comparison of Relativistic ParticleIntegrators,” Astrophys. J. Suppl. Ser. 235 (2018).
doi 10.3847/1538-4365/aab114
M. Winkel, R. Speck, and D. Ruprecht, “A High-Order Boris Integrator,” J. Comput. Phys. 295, 456-474 (2015).
doi 10.1016/j.jcp.2015.04.022
J. Qiang, “High Order Numerical Integrators for Relativistic Charged Particle Tracking,” arXiv: 1702.04486v1 [physics.acc-ph] (2017).
N. A. Krall and A. W. Trivelpiese, Principles of Plasma Physics (McGraw-Hill, New York, 1973; Mir, Moscow, 1975).
D. Potter, Computational Methods in Physics (Wiley, New York, 1973; Mir, Moscow, 1975).
I. S. Berezin and N. P. Zhidkov, Computational Methods (Fizmatgiz, Moscow, 1962; Pergamon, Oxford, 1965).
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2021 Екатерина Сергеевна Воропаева, Константин Витальевич Вшивков, Людмила Витальевна Вшивкова, Галина Ильинична Дудникова, Анна Анатольевна Ефимова
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
