Алгоритмы движения в методе частиц в ячейках

Авторы

  • Е.С. Воропаева Новосибирский государственный университет https://orcid.org/0000-0002-5630-1019
  • К.В. Вшивков Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) https://orcid.org/0000-0001-8264-2522
  • Л.В. Вшивкова Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) https://orcid.org/0000-0001-9152-208X
  • Г.И. Дудникова Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) https://orcid.org/0000-0002-6786-129X
  • А.А. Ефимова Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН) https://orcid.org/0000-0001-9223-8013

DOI:

https://doi.org/10.26089/NumMet.v22r418

Ключевые слова:

модификация метода Бориса, гибридные численные модели, метод частиц в ячейках, магнитная гидродинамика, кинетическое уравнение Власова, уравнения Максвелла, вычислительная физика плазмы

Аннотация

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.

Авторы

Е.С. Воропаева

Новосибирский государственный университет,
ул. Пирогова, 2, 630090, Новосибирск
• студент-магистрант

К.В. Вшивков

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• научный сотрудник

Л.В. Вшивкова

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• ученый секретарь

Г.И. Дудникова

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• главный научный сотрудник

А.А. Ефимова

Институт вычислительной математики и математической геофизики СО РАН (ИВМиМГ СО РАН),
просп. Лаврентьева, 6, 630090, Новосибирск
• младший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. 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.
  2. Yu. A. Berezin and V. A. Vshivkov, The Particle-in-Cell Method in Rarefied Plasma Dynamics (Nauka, Novosibirsk, 1980) [in Russian].
  3. 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.
  4. C. K. Birdsall and A. B. Langdon, Plasma Physics via Computer Simulation (McGraw-Hill, New York, 1985; Energoatomizdat, Moscow, 1989).
  5. H. Qin, S. Zhang, J. Xiao, et al., “Why is Boris Algorithm so Good?’’ Phys. Plasmas 20 (2013).doi 10.1063/1.4818428.
  6. 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.
  7. 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.
  8. 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.
  9. S. Zenitani and T. Umeda, “On the Boris Solver in Particle-in-Cell Simulation,” Phys. Plasmas 25 (2018).doi 10.1063/1.5051077.
  10. 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.
  11. 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.
  12. J. Qiang, “High Order Numerical Integrators for Relativistic Charged Particle Tracking,” arXiv: 1702.04486v1 [physics.acc-ph] (2017).
  13. N. A. Krall and A. W. Trivelpiese, Principles of Plasma Physics (McGraw-Hill, New York, 1973; Mir, Moscow, 1975).
  14. D. Potter, Computational Methods in Physics (Wiley, New York, 1973; Mir, Moscow, 1975).
  15. I. S. Berezin and N. P. Zhidkov, Computational Methods (Fizmatgiz, Moscow, 1962; Pergamon, Oxford, 1965).

Загрузки

Опубликован

13-11-2021

Как цитировать

Воропаева Е.С., Вшивков К.В., Вшивкова Л.В., Дудникова Г.И., Ефимова А.А. Алгоритмы движения в методе частиц в ячейках // Вычислительные методы и программирование. 2021. 22. 281-293. doi 10.26089/NumMet.v22r418

Выпуск

Раздел

Методы и алгоритмы вычислительной математики и их приложения

Наиболее читаемые статьи этого автора (авторов)