Theory of the Speed-Limited Particle-in-Cell Simulation Method

限速粒子在细胞模拟方法的理论

基本信息

  • 批准号:
    1707430
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 45万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2017
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2017-08-01 至 2022-12-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

This project will develop the theory and explore practical applications of a new algorithm for simulation of plasma -- a state of matter with freely interacting electrons and ions not bound together in atoms. This new algorithm has the potential to enable simulation of larger and more complicated plasma systems, leading to a better fundamental understanding of plasma physics, improved predictive capabilities for space weather, better modeling of fusion devices and plasma-based rocket thrusters, and more efficient manipulation of plasma for semiconductor fabrication and other industrial purposes.The new algorithm, the speed-limited particle-in-cell (SLPIC) method, is an extreme variant of the immensely useful particle-in-cell (PIC) technique. SLPIC facilitates multiscale simulation by avoiding the need to resolve unimportant small-scale phenomena -- phenomena that must otherwise often be resolved, even when physically negligible, to avoid numerical instabilities. To accomplish this, SLPIC limits the speed of fast particles (e.g., electrons), while keeping track of what their actual speed should be. The speed-limited motion is a consequence of an approximate Vlasov equation; it accurately simulates particle distribution functions as long as they change sufficiently slowly. This project will develop the theory and use of SLPIC, examining its advantages and disadvantages with respect to standard PIC simulation, and apply it to test problems, including plasma sheaths, the solar wind, and Hall rocket thrusters. In addition, this project will explore the possibility that SLPIC techniques might help mitigate the finite grid instability well-known in standard PIC methods.
这个项目将发展理论和探索一种新算法的实际应用,用于模拟等离子体--一种物质状态,其中电子和离子自由相互作用,而不是在原子中结合在一起。 这种新算法有可能模拟更大更复杂的等离子体系统,从而更好地理解等离子体物理,提高空间天气的预测能力,更好地建模聚变装置和基于等离子体的火箭推进器,以及更有效地操纵等离子体用于半导体制造和其他工业目的。新算法,速度限制粒子单元(SLPIC)方法,是非常有用的粒子细胞(PIC)技术的一个极端变体。 SLPIC通过避免解决不重要的小尺度现象的需要来促进多尺度模拟-这些现象必须以其他方式经常被解决,即使在物理上可以忽略不计,以避免数值不稳定性。 为了实现这一点,SLPIC限制了快粒子的速度(例如,电子),同时跟踪它们的实际速度应该是多少。 速度限制运动是一个近似的弗拉索夫方程的结果;它准确地模拟粒子分布函数,只要它们变化足够慢。 该项目将发展SLPIC的理论和使用,检查其相对于标准PIC模拟的优点和缺点,并将其应用于测试问题,包括等离子体鞘层,太阳风和霍尔火箭推进器。 此外,本项目将探讨SLPIC技术可能有助于减轻标准PIC方法中众所周知的有限网格不稳定性的可能性。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Accelerated steady-state electrostatic particle-in-cell simulation of Langmuir probes
Langmuir 探针的加速稳态静电细胞内粒子模拟
  • DOI:
    10.1063/5.0072994
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Werner, Gregory R.;Robertson, Scott;Jenkins, Thomas G.;Chap, Andrew M.;Cary, John R.
  • 通讯作者:
    Cary, John R.
Computing the Paschen curve for argon with speed-limited particle-in-cell simulation
  • DOI:
    10.1063/5.0051095
  • 发表时间:
    2021-03
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    J. Theis;G. Werner;T. Jenkins;J. Cary
  • 通讯作者:
    J. Theis;G. Werner;T. Jenkins;J. Cary
Speeding up simulations by slowing down particles: Speed-limited particle-in-cell simulation
通过减慢粒子速度来加速模拟:限速粒子胞内模拟
  • DOI:
    10.1063/1.5061683
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Werner, Gregory R.;Jenkins, Thomas G.;Chap, Andrew M.;Cary, John R.
  • 通讯作者:
    Cary, John R.
Dispersion and the speed-limited particle-in-cell algorithm
色散和限速粒子内算法
  • DOI:
    10.1063/5.0046935
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.2
  • 作者:
    Jenkins, Thomas G.;Werner, Gregory R.;Cary, John R.
  • 通讯作者:
    Cary, John R.
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    2024
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    2024
  • 资助金额:
    $ 45万
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    24K18450
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    2024
  • 资助金额:
    $ 45万
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  • 资助金额:
    $ 45万
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  • 财政年份:
    2024
  • 资助金额:
    $ 45万
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