粒子碼與迴旋動力碼之模擬結果比較

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姓名

呂傳楷(Chuan-Kai Lyu) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

粒子碼與迴旋動力碼之模擬結果比較
(Comare with the result of gyro-kinetic code and particle code)

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摘要(中)

以往的粒子碼（particle code）中，包含了許多尺度的物理，在研究某一尺度之現象時，會有其他尺度現象的參雜其中。粒子迴旋動力碼將原本的小尺度高頻現象經由相位平均濾除，可用來研究低頻現象之微擾動現象。其方法是解Vlasov-Poisson equation，此方程與普通的Vlasov equation不同。前者已經對拉索夫方程做相位的平均,其特點是可除去運動方程中的粒子迴旋效應。因為已經消去了粒子迴旋的效應，所以對研究低頻之物理現象，此模擬碼將優於以往的粒子碼。且因為將此迴旋效應消除，便可利用較大之時間間隔（WH*Dt<=1）與格子點（Dx/zo(s)<=1）進行模擬，其中WH為靜電切變-艾爾文頻率（electrostatic shear-Alfven wave frequency），遠小於電漿頻率Wpe因此其時間間隔可擴大，縮短模擬的時間。對於低頻大尺度現象的波動，可以用此迴旋動力碼進行模擬。此文中將從新的數值方法建立迴旋動力碼，並討論迴旋動力碼與一般粒子碼不同之處，並分別就相同的個案進行粒子碼與迴旋動力碼之模擬實驗，將其結果進行比較，可以證明上述迴旋動力碼的優點。

摘要(英)

In the past simulation, particle code consistent many scale physical phenomenon, but these are mixed. When aiming at large scale, low frequency phenomenon, it can’t be recognized from simulation result. Gyro-kinetic simulation can filtered small scale, high frequency waves by average the gyro-phase angle, so it can be used in studying the low frequency wave. The main method is to solve Vlasov-Poisson equation, which different from Vlasov equation is moved out the phase angle.
Vlasov-Poisson equation averaged the phase angle, and can vanish the gyro-effect from equation of motion. Because of eliminating the gyro-effect, the simulation can use larger time step（WH*Dt<=1）and larger grid（Dx/zo(s)<=1）,where the electrostatic shear-Alfven wave frequency WH is much smaller then the plasma frequency Wpe. Using larger time step and larger grid can reduce the total computer time.
The following is used the new numerical method to construct gyro-kinetic code, and compared its result with particle code simulation result. Its comparison shows the advantage the previous discussed.

關鍵字(中)

★ 傅利葉轉換
★ 拉索夫方程
★ 粒子碼
★ 迴旋動力碼
★ 模擬

關鍵字(英)

★ simulation
★ fourier transform
★ gyrokinetic
★ particle code
★ vlasov equation

論文目次

目錄
致謝
摘要
本文目錄
圖表目錄
第一章、緒論 01
第二章、粒子迴旋動力碼之方程式 04
2.1 波頌-拉索夫方程(Poisson-Vlasov equation) 04
2.2平板中的迴旋動力方程 09
2.3 模擬所用之平板迴旋動力方程 11
第三章、粒子迴旋動力碼之數值模擬方法 16
3.1初始條件與邊界條件 17
3.2傅利葉轉換 19
3.3迭代法求電場與矩陣形式直接求電場 20
3.4 傳統粒子碼與迴旋動力碼之差異 23
3.5 模擬所用的數值方法 24
3.5.1 有限粒子大小法 24
3.5.2 預測-校正法 25
3.5.3 亂數轉換法 27
3.5.4 面積權重法 28
3.5.5 傅利葉變換求固定式週期性邊界 29
3.6 模擬之流程 29
第四章、粒子迴旋動力碼之結果與討論 36
4.1 迴旋動力碼模擬無磁場切變（Magnetic field Shear-less）條件下的電漿運動 36
4.2 迴旋動力碼模擬磁場切變（Magnetic field Shear）條件下的電漿運動 38
4.3 利用迴旋動力碼比較不同時間間隔下的模擬 39
4.4 粒子碼與迴旋動力碼模擬E´B運動之比較 40
4.5 粒子碼與迴旋動力碼模擬雙流不穩定效應之比較 42
第五章、結論 46
參考文獻 48

參考文獻

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指導教授

蔡偉雄(Wei-Hsiung Tsai)

審核日期

2002-7-15

推文