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物理学 > 等离子体物理

arXiv:2507.08200 (physics)
[提交于 2025年7月10日 ]

标题: Vidyut3d:一种用于非平衡等离子体的自适应网格GPU加速流体求解器

标题: Vidyut3d: a GPU accelerated fluid solver for non-equilibrium plasmas on adaptive grids

Authors:Hariswaran Sitaraman, Nicholas Deak, Taaresh Taneja
摘要: 我们在此工作中介绍了非平衡等离子体流体求解器的数值方法、编程方法、验证和性能评估,该求解器能够有效利用当前和未来的中央处理单元和图形处理单元(CPU+GPU)架构。 我们的等离子体流体模型在自适应笛卡尔网格上求解物种输运、静电泊松方程和电子温度的耦合守恒方程。 我们的求解器使用性能可移植的自适应网格/粒子管理库AMReX编写,并可在广泛可用的供应商特定GPU架构上移植。 我们使用制造解决方案的方法验证了我们的求解器,结果表明在中心扩散和五阶加权本质无振荡(WENO)对流方案下具有形式上的二阶精度。 我们还通过电容放电和大气压丝状放电的文献验证了我们的求解器。 我们展示了我们的求解器在两个三维模拟案例中的应用:一种是在Ar-H2混合物中的大气丝状放电传播,另一种是低压双电极射频反应器。 我们在三种不同的CPU+GPU架构上的性能研究表明,对于一个包含15种物质的400万单元模拟,使用AMD和NVIDIA GPU每个时间步相比单个CPU核心大约有150-400倍的速度提升。
摘要: We present the numerical methods, programming methodology, verification, and performance assessment of a non-equilibrium plasma fluid solver that can effectively utilize current and upcoming central processing and graphics processing unit (CPU+GPU) architectures, in this work. Our plasma fluid model solves the coupled conservation equations for species transport, electrostatic Poisson and electron temperature on adaptive Cartesian grids. Our solver is written using performance portable adaptive-grid/particle management library, AMReX, and is portable over widely available vendor specific GPU architectures. We present verification of our solver using method of manufactured solutions that indicate formal second order accuracy with central diffusion and fifth-order weighted-essentially-non-oscillatory (WENO) advection scheme. We also verify our solver with published literature on capacitive discharges and atmospheric pressure streamer propagation. We demonstrate the use of our solver on two 3D simulation cases: an atmospheric streamer propagation in Ar-H2 mixtures and a low pressure twin electrode radio frequency reactor. Our performance studies on three different CPU+GPU architectures indicate approximately 150-400X speed-up using AMD and NVIDIA GPUs per time step compared to a single CPU core for a 4 million cell simulation with 15 species.
主题: 等离子体物理 (physics.plasm-ph)
引用方式: arXiv:2507.08200 [physics.plasm-ph]
  (或者 arXiv:2507.08200v1 [physics.plasm-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2507.08200
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Hariswaran Sitaraman [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2025 年 7 月 10 日 22:19:34 UTC (2,134 KB)
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