Numerical stability of 2nd order Runge-Kutta integration alghorithms for use in particle-in-cell codes

0103212 - UFP-V 20040081 RIV CZ eng J - Článek v odborném periodiku
Fuchs, Vladimír - Gunn, J. P.
Numerical stability of 2nd order Runge-Kutta integration alghorithms for use in particle-in-cell codes.
[Numerická stabilita integračních metod Runge-Kutta druhého řádu pro.]
Czechoslovak Journal of Physics. Roč. 54, suppl.C (2004), C100-C110. ISSN 0011-4626.
[Symposium on Plasma Physics and Technology /21./. Praha, 14.06.2004-17.06.2004]
Výzkumný záměr: CEZ:AV0Z2043910
Klíčová slova: simulation, tokamak edge plasma, lower hybrid antenna
Kód oboru RIV: BL - Fyzika plazmatu a výboje v plynech
Impakt faktor: 0.292, rok: 2004

An essential of particle-in-cell (PIC) codes is a numerically accurate and stable integration scheme for the particle equations of motion.Such a scheme is the well known time-centered leapfrog (LF) method [1] accurate to 2nd order with respect to the timestep t.However this scheme can only be used for forces independent of velocity unless a simple enough implicit implementation is.

Důležitou součástí programů PIC je jednoduchá a přitom numericky přesná a stabilní metoda integrace pohybových rovnic částic. Známou metodou s těmito vlastnostmi je přesně časově centrovaná metoda "leapfrog" (LF), nicméně použitelná pouze v případech kdy síla působící na částice závisí jen na jejich poloze a na čase. V řadě fyzikálně důležitých případech závisí síla rovněž na rychlosti. Typickým příkladem je difúzní popis srážek nebo interakce částic s vysokofrekvenčím polem. V této práci se zabýváme konstrukcí integračních metod Runge-Kutta (RK) druhého řádu, které v průběhu integračního procesu zachovávají míru ve fázovém prostotu. Analýza numerické stability zde vyšetřovaných algoritmů ukazuje, že dva z našich algoritmů typu RK vykazují stejnou stabilitu jako metoda LF. Numerické testy pohybu elektronů v nelineární postupující vlně plně potvrzují tyto výsledky analýzy. Nakonec jsme úspěšně aplikovali tyto RK metody v kvasineutrálním simulačním částicovém kódu popisujícím interakci okrajového plazmatu tokamaku s elektrickým polem dolně hybridní antény.
Trvalý link: http://hdl.handle.net/11104/0000114