等离子体粒子模拟
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等离子体粒子模拟及应用
陆全明 Tel:3607657 Email:qmlu@ustc.edu.cn 办公室：近代物理楼611 办公室：近代物理楼
参考书目
● 中文：
1、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社,2002） 、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社 ） 2、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋，安徽科学 、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋， 技术出版社, 技术出版社 1995） ）
粒子模拟的历史
• Buneman(1959),Dawson(1962),点粒子 点粒子 • Birdsall,粒子云的概念 粒子云的概念 • 70年代，多维模拟 年代， 年代 • 90年代，并行计算 年代， 年代
粒子模拟的一些概念
• 维数
1 2 1 ， ， 2 3 2 2
• 不同模型
超粒子和粒子云的概念
D 2 0
2 p
12
1 2
e
D
源自文库
3 D
等离子体维持的条件
L ≫λD 电中性条件
N D ≫ 1 集体相互作用条件
ω pτ > 1
碰撞足够少
ND 另外 ω pτ ≈ ln N D
等离子体模拟的方法
• MHD模拟 模拟 • 直接求解 直接求解Vlasov方程 方程 • 粒子模拟
粒子模拟方法概述
粒子在空面中运动， 粒子在空面中运动，而电场和电荷电流密 度等物理量分配在网格点上。 度等物理量分配在网格点上。一般的计算 步骤如下： 步骤如下：①根据粒子所在的具体位置求 得其对周围网格点的电荷和电流的贡献， 得其对周围网格点的电荷和电流的贡献， 当所有粒子的贡献相加后即得到网格的电 荷密度和电流密度， 求解Maxwell Maxwell方程 荷密度和电流密度 ， ② 求解 Maxwell 方程 即得网格点上的电磁场, 即得网格点上的电磁场, ③通过插值得到 离子和电子处的电磁场，④粒子在 Lorentz力的作用下运动 力的作用下运动。 Lorentz 力的作用下运动 。 不断循环以上 过程，即可求解物理问题。 过程，即可求解物理问题。
主要内容
• 基本理论 • 静电模型及其应用 • 电磁模型及其应用 • 其他模型及其应用
第一章 绪论
●什么是等离子体？ 什么是等离子体？ 什么是等离子体 集体相互作用、 集体相互作用、准中性 ●等离子体的基本参数 kT λ =( ) 德拜长度 4π n e 4π ne ) ω =( 等离子体频率 m eB 电子回旋频率 Ω = m c 4 N = πλ n 等离子体参量 3
ɶ kT = N kT ɶ ND = ND / N
一个超粒子代表N个性质一样的真实的点粒子，这 一个超粒子代表N个性质一样的真实的点粒子， 样的主要结果是减少了等离子体参量 ND ，人为增 加了碰撞的效应， 加了碰撞的效应，用有一定大小的粒子云的概念可 减少碰撞效应。 减少碰撞效应。
·· · · · · · · · ·
Particles in anywhere<===>Fields in Grids interpolation Solve particles and fields self-consistently
和MHD模拟的不同之处
MHD是流体的观点，假定粒子速度分布满 是流体的观点， 是流体的观点 分布。 足Maxwell分布。空间等离子体非常稀薄， 分布 空间等离子体非常稀薄， 这意味着时间足够长或空间区域足够长。 这意味着时间足够长或空间区域足够长。 粒子模拟可假定粒子满足任何分布， 粒子模拟可假定粒子满足任何分布，有更 强的物理基础。它的限制来自算法， 强的物理基础。它的限制来自算法，适合 时间尺度比较短（离子回旋周期）， ），空间 时间尺度比较短（离子回旋周期），空间 尺度不太大（离子惯性长度）。 尺度不太大（离子惯性长度）。
●英文：
1. Plasma Physics via Computer Simulation (C. K. Birdsall and A. B. Langdon, New York:McGraw-Hill ) 2. Computer Simulation using Particles (Hockney and Eastwood, New York:McGraw-Hill).
陆全明 Tel:3607657 Email:qmlu@ustc.edu.cn 办公室：近代物理楼611 办公室：近代物理楼
参考书目
● 中文：
1、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社,2002） 、等离子体粒子模拟（邵福球，科学出版社 ） 2、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋，安徽科学 、空间等离子体数值模拟（傅作风、胡友秋， 技术出版社, 技术出版社 1995） ）
粒子模拟的历史
• Buneman(1959),Dawson(1962),点粒子 点粒子 • Birdsall,粒子云的概念 粒子云的概念 • 70年代，多维模拟 年代， 年代 • 90年代，并行计算 年代， 年代
粒子模拟的一些概念
• 维数
1 2 1 ， ， 2 3 2 2
• 不同模型
超粒子和粒子云的概念
D 2 0
2 p
12
1 2
e
D
源自文库
3 D
等离子体维持的条件
L ≫λD 电中性条件
N D ≫ 1 集体相互作用条件
ω pτ > 1
碰撞足够少
ND 另外 ω pτ ≈ ln N D
等离子体模拟的方法
• MHD模拟 模拟 • 直接求解 直接求解Vlasov方程 方程 • 粒子模拟
粒子模拟方法概述
粒子在空面中运动， 粒子在空面中运动，而电场和电荷电流密 度等物理量分配在网格点上。 度等物理量分配在网格点上。一般的计算 步骤如下： 步骤如下：①根据粒子所在的具体位置求 得其对周围网格点的电荷和电流的贡献， 得其对周围网格点的电荷和电流的贡献， 当所有粒子的贡献相加后即得到网格的电 荷密度和电流密度， 求解Maxwell Maxwell方程 荷密度和电流密度 ， ② 求解 Maxwell 方程 即得网格点上的电磁场, 即得网格点上的电磁场, ③通过插值得到 离子和电子处的电磁场，④粒子在 Lorentz力的作用下运动 力的作用下运动。 Lorentz 力的作用下运动 。 不断循环以上 过程，即可求解物理问题。 过程，即可求解物理问题。
主要内容
• 基本理论 • 静电模型及其应用 • 电磁模型及其应用 • 其他模型及其应用
第一章 绪论
●什么是等离子体？ 什么是等离子体？ 什么是等离子体 集体相互作用、 集体相互作用、准中性 ●等离子体的基本参数 kT λ =( ) 德拜长度 4π n e 4π ne ) ω =( 等离子体频率 m eB 电子回旋频率 Ω = m c 4 N = πλ n 等离子体参量 3
ɶ kT = N kT ɶ ND = ND / N
一个超粒子代表N个性质一样的真实的点粒子，这 一个超粒子代表N个性质一样的真实的点粒子， 样的主要结果是减少了等离子体参量 ND ，人为增 加了碰撞的效应， 加了碰撞的效应，用有一定大小的粒子云的概念可 减少碰撞效应。 减少碰撞效应。
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Particles in anywhere<===>Fields in Grids interpolation Solve particles and fields self-consistently
和MHD模拟的不同之处
MHD是流体的观点，假定粒子速度分布满 是流体的观点， 是流体的观点 分布。 足Maxwell分布。空间等离子体非常稀薄， 分布 空间等离子体非常稀薄， 这意味着时间足够长或空间区域足够长。 这意味着时间足够长或空间区域足够长。 粒子模拟可假定粒子满足任何分布， 粒子模拟可假定粒子满足任何分布，有更 强的物理基础。它的限制来自算法， 强的物理基础。它的限制来自算法，适合 时间尺度比较短（离子回旋周期）， ），空间 时间尺度比较短（离子回旋周期），空间 尺度不太大（离子惯性长度）。 尺度不太大（离子惯性长度）。
●英文：
1. Plasma Physics via Computer Simulation (C. K. Birdsall and A. B. Langdon, New York:McGraw-Hill ) 2. Computer Simulation using Particles (Hockney and Eastwood, New York:McGraw-Hill).