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Geometric electrostatic particle-in-cell algorithm on unstructured meshes

物理 多边形网格 细胞内颗粒 绝热过程 变分原理 电场 边界(拓扑) 等离子体 电子 计算物理学 经典力学 算法 数学分析 几何学 量子力学 数学
作者
Zhenyu Wang,Hong Qin,Benjamin Sturdevant,C. S. Chang
出处
期刊:Journal of Plasma Physics [Cambridge University Press]
卷期号:87 (4) 被引量:5
标识
DOI:10.1017/s0022377821000702
摘要

We present a geometric Particle-in-Cell (PIC) algorithm on two-dimensional (2D) unstructured meshes for studying electrostatic perturbations in magnetized plasmas. In this method, ions are treated as fully kinetic particles, and electrons are described by the adiabatic response. The PIC method is derived from a discrete variational principle on unstructured meshes. To preserve the geometric structure of the system, the discrete variational principle requires that the electric field is interpolated using Whitney 1-forms, the charge is deposited using Whitney 0-forms, and the electric field is computed by discrete exterior calculus. The algorithm has been applied to study the Ion Bernstein Wave (IBW) in 2D magnetized plasmas. The simulated dispersion relations of the IBW in a rectangular region agree well with theoretical results. In a 2D circular region with the fixed boundary condition, the spectrum and eigenmode structures of the IBW are determined from simulation. We compare the energy conservation property of the geometric PIC algorithm derived from the discrete variational principle with that of previous PIC methods on unstructured meshes. The comparison shows that the new PIC algorithm significantly improves the energy conservation property.
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