物理学 > 计算物理
[提交于 2025年5月1日
(v1)
,最后修订 2025年8月1日 (此版本, v5)]
标题: Nyström型指数积分器用于强磁场中的带电粒子动力学
标题: Nyström Type Exponential Integrators for Strongly Magnetized Charged Particle Dynamics
摘要: 计算带电粒子在电磁场中的动力学(即粒子推动问题)是等离子体物理模拟中粒子-网格(PIC)方法中最计算密集的组成部分之一。 当等离子体强磁化时,这项任务尤其具有挑战性,因为在这种情况下,粒子运动包含从高度振荡的快速回旋运动到缓慢宏观行为的广泛时间尺度, resulting 的数值模型非常刚性。 目前用于模拟粒子运动的最先进的时间积分器由于问题的严重数值刚性而存在局限性,因此需要更高效的方法。 最近,指数积分器被提出作为这些模拟的一种有前景的新方法,并显示出比常用方案具有计算优势。 指数方法可以精确求解线性问题,并且是A稳定的。 在本文中,标准的指数算法框架被扩展,以推导出一种Nyström型指数方法,该方法将牛顿运动方程作为二阶微分方程进行积分。 推导出并应用了二阶和三阶的Nyström型方案到强磁化粒子推动问题中。 数值实验被展示以证明Nyström型指数积分器在计算效率方面相对于标准指数方法有显著改进。
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