等离子体粒子模拟及应用

等离子体粒子模拟及应用等离子体粒子模拟及应用陆全明陆全明Tel:3607657Email:办公室：教学行政楼办公室：教学行政楼1505参考书目参考书目 中文中文：1、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社,2002）2、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋，安徽科学、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋，安徽科学技术出版社技术出版社,1995）英文英文：1.Plasma Physics via Computer Simulation(C.K.Birdsall and A.B.Langdon,New York:McGraw-Hill)2.Computer Simulation using Particles(Hockney and Eastwood,New York:McGraw-Hill).主要内容主要内容基本理论基本理论静电模型及其应用静电模型及其应用电磁模型及其应用电磁模型及其应用其他模型及其应用其他模型及其应用第一章第一章 绪论绪论什么是等离子体？什么是等离子体？集体相互作用、准中性集体相互作用、准中性等离子体的基本参数等离子体的基本参数 德拜长度德拜长度 等离子体频率等离子体频率 电子回旋频率电子回旋频率 等离子体参量等离子体参量等离子体维持的条件等离子体维持的条件电中性条件电中性条件集体相互作用条件集体相互作用条件碰撞足够少碰撞足够少 另外另外等离子体模拟的方法等离子体模拟的方法MHD模拟模拟直接求解直接求解Vlasov方程方程粒子模拟粒子模拟 粒子模拟方法概述 粒粒子子在在空空面面中中运运动动，而而电电场场和和电电荷荷电电流流密密度度等等物物理理量量分分配配在在网网格格点点上上。一一般般的的计计算算步步骤骤如如下下：根根据据粒粒子子所所在在的的具具体体位位置置求求得得其其对对周周围围网网格格点点的的电电荷荷和和电电流流的的贡贡献献，当当所所有有粒粒子子的的贡贡献献相相加加后后即即得得到到网网格格的的电电荷荷密密度度和和电电流流密密度度，求求解解MaxwellMaxwell方方程程即即得得网网格格点点上上的的电电磁磁场场,通通过过插插值值得得到到离离 子子 和和 电电 子子 处处 的的 电电 磁磁 场场，粒粒 子子 在在LorentzLorentz力力的的作作用用下下运运动动。不不断断循循环环以以上上过程，即可求解物理问题。过程，即可求解物理问题。Particles in anywhereFields in Grids interpolationSolve particles and fields self-consistently和MHD模拟的不同之处 MHD是流体的观点，假定粒子速度分布满是流体的观点，假定粒子速度分布满足足Maxwell分布。空间等离子体非常稀薄，分布。空间等离子体非常稀薄，这意味着时间足够长或空间区域足够长。这意味着时间足够长或空间区域足够长。粒子模拟可假定粒子满足任何分布，有更粒子模拟可假定粒子满足任何分布，有更强的物理基础。它的限制来自算法，适合强的物理基础。它的限制来自算法，适合时间尺度比较短（离子回旋周期），空间时间尺度比较短（离子回旋周期），空间尺度不太大（离子惯性长度）。尺度不太大（离子惯性长度）。粒子模拟的历史粒子模拟的历史Buneman(1959),Dawson(1962),点粒子点粒子Birdsall,粒子云的概念粒子云的概念70年代，多维模拟年代，多维模拟90年代，并行计算年代，并行计算粒子模拟的一些概念维数 不同模型超粒子和粒子云的概念超粒子和粒子云的概念一个超粒子代表一个超粒子代表N N个性质一样的真实的点粒子，这样个性质一样的真实的点粒子，这样的主要结果是减少了等离子体参量的主要结果是减少了等离子体参量 ，人为增加，人为增加了碰撞的效应，用有一定大小的粒子云的概念可减了碰撞的效应，用有一定大小的粒子云的概念可减少碰撞效应。少碰撞效应。有限大小粒子对碰撞的影响有限大小粒子对碰撞的影响考虑点粒子时考虑点粒子时,粒子之间的作用力随距离增加变小粒子之间的作用力随距离增加变小,两两粒子无限近时作用力无穷大。粒子无限近时作用力无穷大。考虑有限大小粒子，当它们相距远时，和点粒子时考虑有限大小粒子，当它们相距远时，和点粒子时一样。当两粒子开始重合时，作用力开始下降，当一样。当两粒子开始重合时，作用力开始下降，当两粒子完全重合时，它们之间的作用力降到零。两粒子完全重合时，它们之间的作用力降到零。效果：不改变远程相互作用，保留集体相互作用，效果：不改变远程相互作用，保留集体相互作用，大大降低近距离碰撞。大大降低近距离碰撞。一些定量的结果一些定量的结果 二维情况二维情况 点粒子：点粒子：有限大小粒子：有限大小粒子：，对半径，对半径 为的为的有限大小粒子，有限大小粒子，三维情况三维情况 点粒子：点粒子：有限大小粒子：有限大小粒子：，对半，对半径径 为的有限大小粒子，为的有限大小粒子，