We explore the possibilities of applying structure-preserving numerical methods to a plasma hybrid model with kinetic ions and mass-less fluid electrons satisfying the quasi-neutrality relation. The numerical schemes are derived by finite element methods in the framework of finite element exterior calculus (FEEC) for field variables, particle-in-cell (PIC) methods for the Vlasov equation, and splitting methods in time based on an anti-symmetric bracket proposed. Conservation properties of energy, quasi-neutrality relation, positivity of density, and divergence-free property of the magnetic field are given irrespective of the used resolution and metric. Local quasi-interpolation is used for dealing with the current terms in order to make the proposed methods more efficient. The implementation has been done in the framework of the Python package STRUPHY [1], and has been verified by extensive numerical experiments.


翻译:我们探索了将结构保持数值方法应用于满足准中性关系的混合动力学离子与无质量流体电子等离子体模型的可能性。数值方案基于有限元外微积分框架下的有限元方法推导场变量,采用粒子-网格方法求解Vlasov方程,并利用所提出的反对称括号构建时间分裂方法。无论采用何种分辨率与度量,能量守恒、准中性关系、密度正定性及磁场无散特性均得以保持。为提高所提方法的计算效率,局部拟插值技术被用于处理电流项。基于Python程序包STRUPHY[1]实现了上述算法,并通过大量数值实验进行了验证。

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