碰撞式粒子網格模擬法之離散粒子效應對電漿波衰減的影響

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吳冠融(Guan-Rong Wu) 查詢紙本館藏

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物理學系

論文名稱

碰撞式粒子網格模擬法之離散粒子效應對電漿波衰減的影響
(Discrete Particle Effects on Plasma Wave Damping in Collisional Particle-In-Cell Simulations)

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摘要(中)

模擬電漿系統時，使用粒子網格模擬法(PIC)會造成離散粒子效應，它會縮短
數值熱化的時間也可能會影響到一些電漿的動力學行為。我們發現可以用取很多
組數據平均的方法降低來自於離散粒子效應產生的電場雜訊，藉此得到與理論符
合的線性朗道阻尼值，但電漿的非線性行為，例如相位捕獲(phase trapping)只能
使用足夠多的巨粒子模擬來降低結果的數值誤差。另外，我們使用Krook 形式碰
撞與正向碰撞兩種碰撞模型來模擬碰撞性電漿，我們會在本論文中探討離散粒子
效應如何去影響碰撞性電漿中的動力學行為。

摘要(英)

The discrete-particle effects in particle-in-cell (PIC) simulation can numerically enhance the thermalization of collisionless plasmas, such that they can potentially change the dynamic properties of the simulated plasma system. The simulation results show that the numerical fluctuation induced by discrete-particle effects can be remedied by taking ensemble average over many computer runs to obtain the Landau damping rate, which is consistent with the theoretical estimation. But the nonlinear phase trapping can only be recovered from the numerical noise by using a reasonable number of macro-particle number in a Debye region. Moreover, both Krook-type and head-on collision models are implemented in the PIC simulation for studying the Landau damping in collisional plasmas. The convergence of numerical results due to discrete particle effects in PIC simulations will be discussed in the paper.

關鍵字(中)

★ 離散粒子效應
★ 朗道阻尼
★ 粒子網格模擬法
★ Krook形式碰撞

關鍵字(英)

★ Discrete particle effect
★ Landau damping
★ Particle-in-cell
★ Krook-type collision

論文目次

中文摘要 i
英文摘要 ii
目錄 iii
圖目錄 iv

第一章緒論 1
第二章數值模擬工具與分析方法 4
2.1朗道阻尼(Landau damping)理論推導 4
2.2粒子網格模擬法PIC (Particle-In-Cell) 7
2.3蒙地卡羅碰撞(Monte-Carlo collision) 10
2.4在熱平衡態電漿中製造行進靜電波的方法 14
2.5離散粒子效應的本質與朗道阻尼分析方法 18
第三章數值模擬結果 21
3.1模擬參數 21
3.2朗道阻尼對速度分布的影響 23
3.3在無碰撞性電漿中離散粒子效應對朗道阻尼的影響 25
3.4加入蒙地卡羅碰撞後朗道阻尼的變化 28
3.5 Krook形式碰撞的誤差來源與討論 32
第四章結果與討論 35
第五章結論 37
參考文獻 38

參考文獻

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指導教授

陳仕宏(Shih-Hung Chen)

審核日期

2017-7-27

推文