Metriplectic foundations of gyrokinetic Vlasov-Maxwell-Landau theory
这封信报告的metriplectic制定的碰撞，非线性全$f$电磁陀螺理论符合能量守恒和单调熵产生。在轴对称背景磁场中，环向角动量也是守恒的。值得注意的是，一个新的碰撞电流，有助于回旋麦克斯韦-安培方程和回旋电荷守恒定律，被发现。
2022-03-16 physics.class-ph physics.plasm-ph
Exact Energy Conservation Laws for Full and Truncated Nonlinear Gyrokinetic Equations
给出了一般磁几何条件下非线性电磁陀螺运动方程的全$f$和全$δf$形式的精确整体能量守恒律。在这两个配方中，极化和磁化效应之间的关系，在gyrokinetic泊松和安培方程和二次有质动力gyrocenter哈密顿强调。
2010-03-03 physics.plasm-ph
Variational formulations of exact and reduced Vlasov-Maxwell equations
本文综述了陀螺运动理论的基础，着重介绍了拉格朗日方法和哈密顿方法在推导非线性陀螺运动Vlasov-麦克斯韦方程组中的应用。这些简化的动力学方程描述了具有任意磁几何形状的非均匀磁化等离子体中低频电磁涨落的湍流演化。
2004-09-23 physics.plasm-ph
Second order Gyrokinetic theory for Particle-In-Cell codes
陀螺动力学简化的主要思想是从等离子体动力学中系统地去除最快的运动尺度（陀螺运动），从而大大简化模型并节省计算时间。回旋Maxwell-Vlasov系统在强磁化等离子体的数值模拟中得到了广泛的应用。不同版本的简化方程组存在依赖于陀螺动力学简化过程的构造和推导时假设的近似。本文的目的是明确地显示一般的二阶gyrokinetic Maxwell-Vlasov系统发出的现代Gyrokinetic理论推导和目前实施的全球电磁粒子在细胞代码ORB 5的模型之间的连接。严格必要的信息，现代Gyrokinetic形式主义的Gyrokinetic麦克斯韦-Vlasov方程的动力学第一原理的一致推导。利用动力学的变分形式同时得到了相应的精确能量守恒定律。显式推导的结果用于验证目前在ORB 5代码中实现的节能诊断。这项工作订阅到代码验证项目VeriGyro目前运行在IPP马克斯普朗克研究所与其他欧洲机构合作的背景下。
2017-03-13 physics.plasm-ph
Gyrokinetic Vlasov-Poisson model derived by hybrid-coordinate transform of the distribution function
本文指出在标准静电陀螺模型中得到的全轨道密度在$\varepsilon^{σ-1}$阶上并不准确，它是关于平衡分布$e^{-αμ}$与$μ\in (0, μ_{\max})$的关系，其中$\varepsilon$是归一化Larmor半径的阶，$\varepsilon^σ$是归一化静电势振幅的阶，$α$是$O(1)$的因子。这个误差使得全轨道密度的精确阶数与全轨道分布函数的近似阶数不一致。通过构造一个混合坐标系来求解全轨道分布，即用陀螺中心坐标系上的磁矩代替全轨道坐标系上的磁矩，得到由陀螺中心分布变换的全轨道分布，证明了全轨道密度可以近似为$\varepsilon^{σ-1}$阶。利用Selalib程序，对具有静电扰动的圆柱磁场位形中初始分布与$\exp(\frac{-μB}{T_i})$成正比的陀螺动力学模型与标准模型进行了数值比较.在这样的配置中，仿真结果在两个模型之间表现出相似的性能。
2020-05-31 physics.plasm-ph
Vlasov versus reduced kinetic theories for helically symmetric equilibria
在Vlasov理论框架下，得到了磁轴附近螺旋对称平衡的一个新的运动常数。鉴于这一运动常数的Vlasov理论进行了比较，漂移动力学和陀螺动力学理论近轴。结果表明，在轴对称平衡的情况下[H。Tasso和G. N. Throumoulopoulos，Phys.Plasmas 18，064507（2011）]，其上的弗拉索夫电流密度可以明显不同于漂移动力学和回旋动力学电流密度。这表明了一些限制的影响，减少动力学理论，特别是有关高能粒子的物理中心区域的磁约束等离子体。
2013-01-28 physics.plasm-ph
Simulation of ion temperature gradient driven modes with 6D kinetic Vlasov code
本文利用优化的6D动力学Vlasov半拉格朗日求解器模拟离子温度梯度模式，超越回旋动力学限制，首次展示完整垂直能量通量及非线性饱和阶段的高频波激发。
2024-02-09 physics.plasm-ph
Modelling the Lagrangian of magnetized plasmas with low-frequency magnetic perturbations by a gyrokinetic Ampere-Poisson model
按照Ref. (1)本文引入了粒子坐标系上的基本拉格朗日1-形式，它决定了低频磁扰动下磁化等离子体中所有离子和电子的动力学行为。一个安培-弗拉索夫模型被用来模拟这种基本的拉格朗日1-形式的基础上的一种粗粒度的计划。利用Cary-Littlejohn单参数Lie变换方法，通过对质点坐标系下的基本拉格朗日1-形式进行变换，得到了陀螺心坐标系下新的基本拉格朗日1-形式。这个新的1-形式决定了所有离子和电子在陀螺中心坐标上的动力学。提出了一种完全定义在陀螺中心坐标系上的新的Ampere-Vlasov模型来模拟新的拉格朗日1-形式。通过将静电微扰引入拉格朗日1-形式，我们最终得到了一个定义在陀螺中心坐标上的Ampere-Poisson-Vlasov模型。
2017-04-30 physics.plasm-ph
The Hamiltonian structure and Euler-Poincaré formulation of the Vlasov-Maxwell and gyrokinetic systems
本文提出了一个新的陀螺运动系统的变分原理，类似于文献[1]中提出的Maxwell-Vlasov作用量。变分原理是在欧拉框架和相空间流体速度和颗粒分布函数的约束变化的基础上。使用勒让德变换，我们明确推导出系统的场论哈密顿结构。这是进行了修改狄拉克理论的约束，这是用来构建有意义的括号从那些直接从欧拉庞加莱理论。这些公式可能的应用包括连续几何积分技术，大涡模拟模式和Casimir型稳定性方法。[1]H. Cendra et.例如，Journal of数学物理39，3138（1998）
2013-02-06 math-ph math.MP physics.plasm-ph
On the dynamical reduction of the Vlasov equation
用Lie变换方法消除Vlasov方程中的快时标是导出简化的Vlasov方程（如漂移动力学Vlasov方程或陀螺动力学Vlasov方程）的重要步骤。结果表明，这种动力学约化也导致了在约化的麦克斯韦方程组中引入极化和磁化效应，从而保证了约化的Vlasov-麦克斯韦方程组具有精确的能量-动量守恒定律.
2006-09-27 physics.plasm-ph
A Gyrokinetic 1D Scrape-Off Layer Model of an ELM Heat Pulse
应用静电回旋动力学模型来模拟平行的等离子体传输的刮除层偏滤器板。作者专注于一个测试问题，以前已经研究过，使用的参数选择来模拟热脉冲驱动的边缘本地化模式（ELM）在JET。以前的工作已经使用了直接的粒子在细胞方程与完整的动力学，或弗拉索夫或流体方程只有并行动力学。随着使用的回旋准中性方程和逻辑鞘边界条件，空间和时间分辨率的要求不再设置由电子德拜长度和等离子体频率，分别。这个测试问题也有助于说明一些物理包含在哈密顿形式的gyrokinetic方程和一些数值的挑战，在开发一个边缘gyrokinetic代码。
2015-01-13 physics.plasm-ph
Fourier-Hermite spectral representation for the Vlasov-Poisson system in the weakly collisional limit
利用Fourier-Hermite谱表示研究了1+ 1维Vlasov-Poisson系统的Landau阻尼.我们使用最近为陀螺动力学开发的向前和向后传播的厄米模式描述了相空间中自由能的传播[Schekochihin等人（2014）]。电场的变化通过自由能演化方程对应于净厄米通量。在线性朗道阻尼中，电场中的衰减对应于向前传播的厄米模式;在非线性阻尼中，初始衰减之后是增长阶段，其特征在于由非线性项产生向后传播的厄米模式。向后传播模式的自由能含量呈指数增加，直到平衡向前传播模式的自由能含量。此后，没有系统的净厄米磁通，因此电场不能衰减，非线性有效地抑制了朗道阻尼。这些模拟是使用全光谱5D陀螺动力学代码SpectroGK [Parker等人，2014]进行的，该代码经过修改以求解1+1D Vlasov-Poisson系统。这通过迭代的Lénard-Bernstein碰撞算子或通过速度空间中的Hou-Li滤波来捕获Landau阻尼。因此，该代码是适用的，即使在相混合和双折射占主导地位的制度。
2014-07-08 physics.plasm-ph
Hierarchy of second-order gyrokinetic Hamiltonian models for particle-in-cell codes
约化粒子模型是从第一性原理系统地推导出回旋运动的弗拉索夫-麦克斯韦方程组的核心要素。耦合到内的回旋运动场粒子拉格朗日的字段，减少粒子模型定义的极化和磁化效应出现在回旋运动的麦克斯韦方程组。它也被用于从粒子特性的陀螺运动的Vlasov方程的重建。根据回旋运动相空间坐标的选择，可以使用各种简化粒子模型的表示。在本文中，简化粒子动力学的哈密尔顿表示在一个适合的实施在粒子细胞模拟的顺序明确来自一般的减少过程。二阶（相对于波动电磁场）、完整的有限拉莫尔半径（FLR）汉密尔顿回旋动力学粒子模型以及专门适用于长波长近似的二阶模型（即，包含高达二阶FLR校正），推导和比较最近实施的粒子在细胞代码ORB 5的模型。我们表明，同样的长波长近似方程也可以通过采取适当的限制的完整的FLR模型。
2017-03-15 nlin.CD physics.plasm-ph
High frequency non-gyrokinetic turbulence at tokamak edge parameter
本文首次通过6D-Vlasov模拟托卡马克边缘参数下的高频离子伯恩斯坦波湍流，发现其输运与回旋动理学湍流相当，表明回旋动理学近似的限制主要源于计算成本而非物理本质。
2023-10-24 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Perturbative variational formulation of the Vlasov-Maxwell equations
在微扰分析中，给出了Vlasov-麦克斯韦方程组的三阶微扰变分形式。分别从二阶和三阶拉格朗日密度出发，将一阶和二阶Vlasov-麦克斯韦方程组表示为规范不变和规范无关的形式。在导出线性非绝热旋动力学Vlasov-麦克斯韦方程组的约化二阶Vlasov-Maxwell拉格朗日量的基础上，导出了线性漂移波方程和线性混合动力学-磁流体动力学（MHD）方程的约化拉格朗日密度，并用Noether方法得到了相应的波作用守恒律.给出了线性混合动力学-MHD方程的精确波作用量守恒定律。推导出了三阶弗拉索夫-麦克斯韦拉格朗日量的新形式，其中有质动力效应起着至关重要的作用。
2018-11-02 physics.plasm-ph
Two-dimensional Finite Larmor Radius approximation in canonical gyrokinetic coordinates
本文利用双尺度收敛工具，在正则回旋动坐标下建立了强外磁场中Vlasov-Poisson系统向二维有限拉莫尔半径模型的近似，提供了新的证明视角。
2010-11-03 cs.NA math.AP math.NA
Exact conservation laws for gauge-free electromagnetic gyrokinetic equations
对无规范电磁回旋运动的Vlasov-麦克斯韦方程组的哈密顿和辛表示，用Noether方法导出了精确的能量和角动量守恒定律.这些gyrokinetic方程，这是唯一表示的电磁场，描述的低频湍流波动扰动的时间无关的超环面轴对称磁化等离子体。这里提出的明确的证明提供了一个完整的图片之间的能量和角动量的转移的陀螺中心和扰动的电磁场，其中陀螺中心的极化和磁化效应所发挥的关键作用被突出。除了得到一个精确的角动量守恒定律外，陀螺运动的Noether方程还得到一个精确的动量输运方程，这在更一般的平衡磁几何中可能是有用的。
2021-05-13 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Discretization form of the continuity condition at the polar axis, with application to the gyrokinetic simulation in a magnetic fusion torus
提出一种基于连续性条件的极轴离散化新方法，用于处理双曲型和椭圆型方程在极轴处的奇异性与内边界问题，并应用于含磁轴的托卡马克等离子体全局回旋动力学模拟。
2025-09-28 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Gyrokinetics from variational averaging: existence and error bounds
从变分平均（VA）的角度回顾了长波长区的回旋动力学范式。VA-方法代表了除了经典平均或Chapman-Enskog展开之外，平均具有高度振荡特性的动力学方程的第三个支柱。VA操作的拉格朗日函数的水平上，并保留在所有订单的特征的哈密顿结构。我们通过带电粒子在强磁场中的运动详细讨论了VA的方法。VA的应用更广泛的一类高振荡的问题，可以预见。对于带电粒子，我们证明了相空间中的坐标映射的存在，导致在任何顺序的扩展，一般的外部领域的gyrokinetic拉格朗日。我们计算这个映射到三阶，独立于电磁规范。此外，相对于Vlasov方程的解决方案，推导出的gyrokinetic方程的解决方案的误差范围提供，允许估计质量的VA近似在这种特定的情况下。
2017-11-27 math-ph math.MP physics.plasm-ph
A geometric Particle-In-Cell discretization of the drift-kinetic and fully kinetic Vlasov-Maxwell equations
本文将对偶网格几何 Particle in Cell 框架扩展至无规范漂移动力学 Vlasov--Maxwell 模型，通过推导仅涉及电磁场的离散作用量原理，构建了含极化与磁化项且可直接耦合完全动力学模型的宏观 Maxwell 方程。
2025-04-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Lifting of the Vlasov-Maxwell Bracket by Lie-transform Method
Vlasov-麦克斯韦方程组具有用哈密顿泛函和泛函括号表示的哈密顿结构。本文研究了用Lie变换微扰法对单粒子动力学进行动力学约化时引起的Vlasov-Maxwell括号的变换（“提升”）。这项工作的最终目标是获得明确的哈密顿公式的指导中心和回旋弗拉索夫-麦克斯韦方程组，有重要的应用，在我们的理解湍流磁化等离子体。这里，它表明，一般形式的约化Vlasov-麦克斯韦方程组具有一个哈密尔顿结构定义的约化哈密尔顿功能和约化括号，自动满足标准括号的性质。
2016-12-20 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Machine-learning Closure for Vlasov-Poisson Dynamics in Fourier-Hermite Space
本研究利用储层计算为傅里叶-厄米空间中的Vlasov-Poisson系统构建机器学习闭合模型，在保证精度的同时大幅降低速度分辨率，为湍流降阶建模提供新途径。
2025-10-14 physics.plasm-ph
Discontinuous Galerkin schemes for a class of Hamiltonian evolution equations with applications to plasma fluid and kinetic problems
在本文中，我们提出了能量守恒，混合间断Galerkin（DG）和连续Galerkin（CG）计划的解决方案的广泛的一类物理系统描述的哈密顿演化方程。例如，这些系统经常出现在流体力学（不可压缩的欧拉方程）和等离子体物理（弗拉索夫-泊松方程和陀螺运动方程）中。动力学描述的分布函数，发展给定的哈密顿量和相应的泊松括号运营商，与哈密顿量本身计算的场方程。哈密顿系统有几个守恒量，包括总能量的二次不变量和分布函数的$L_2$范数。为了精确的模拟，必须确保这些二次不变量是保守的离散计划。我们表明，使用一个不连续的Galerkin计划发展的分布函数，并确保哈密顿位于其连续的子空间导致一个能量守恒的计划在连续的时间限制。此外，$L_2$规范是保守的，如果中心通量被用来更新的分布函数，但单调衰减时，使用逆风通量。密度守恒和$L_2$范数证明了熵是时间的非减函数。这里所示的证明适用于任何哈密顿系统，包括其中泊松括号算子是非正则的（例如，陀螺运动方程）。我们证明了该计划的能力，以解决Vlasov-Poisson和不可压缩的欧拉方程在2D和提供参考，我们已经应用这些计划来解决更复杂的5D静电和电磁gyrokinetic方程。
2019-08-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Plasmoid formation via competing lower-hybrid drift and Kelvin-Helmholtz instabilities: A hybrid kinetic-gyrokinetic simulation study
Max-Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；KU Leuven（荷语鲁汶大学）
研究通过混合动能-gyrokinetic模拟揭示了低混漂移不稳定性与Kelvin-Helmholtz不稳定性在等离子体体形成中的竞争作用，表明低混漂移不稳定性可作为种子和调节器，影响等离子体体生成不稳定性。
2026-01-18 astro-ph.SR physics.plasm-ph
A performance portable implementation of the semi-Lagrangian algorithm in six dimensions
本文提出一种用于六维完全动力学 Vlasov 方程的半拉格朗日算法性能可移植软件实现，通过单一代码库在多架构 CPU 和 GPU 上实现高效运行，验证了超越回旋动理学模型的物理现象。
2023-03-10 cs.DC physics.comp-ph physics.plasm-ph
Finding closure: approximating Vlasov-Poisson using finitely generated cumulants
由于暗物质几乎只与引力相互作用，相空间动力学由弗拉索夫-泊松方程描述。一个关键的特点是它的无限累积量的层次，塔耦合的相空间分布的累积量的演变方程。虽然在大尺度上的物质分布被很好地描述为流体和层次可以被截断，较小的尺度是在多流制度，其中所有的高阶累积源通过非线性引力坍缩。这一制度是至关重要的束缚结构的形成和出现的特性，如其密度分布。我们提出了一种新的封闭策略的累积量层次的启发，由cumulant产生的累积量，因此超越截断。这构成了一个建设性的方法，减少非线性相空间动力学的Vlasov-Poisson在位置空间中的一个封闭的方程组。利用这一思想，我们推导出薛定谔-泊松近似量子方法，用于求解具有冷初始条件的Vlasov-Poisson经典动力学。我们的推导补充了薛定谔-弗拉索夫关系的常见的反向推理使用半经典极限的量子力学，并提供了一个更清晰的图片之间的对应关系的经典和量子动力学。我们的框架概述了一个重要的第一步，在宇宙学和等离子体物理与不同的初始条件和潜力的Vlasov样系统的近似方法构建。
2018-10-22 astro-ph.CO physics.plasm-ph
Cascades and Dissipative Anomalies in Nearly Collisionless Plasma Turbulence
我们发展了在碰撞率为零的极限下由Vlasov-Maxwell-Landau方程控制的动力学等离子体湍流的第一性原理理论。在Onsager开创的精确重整化群方法之后，我们证明了在1粒子相空间中存在一个“无碰撞范围”的尺度（长度和速度），其中理想的Vlasov-麦克斯韦方程组在“粗粒度意义上”得到满足。然而，由于非线性熵级联，在该范围内熵守恒可能被“耗散异常”所违反。我们推导出“4/5定律”型表达式的熵通量，这使我们能够表征其非零所需的奇点（结构函数标度指数）。在无碰撞极限下，质量、动量和能量守恒定律不受反常转移的影响。然而，在随后的限制小gyroradii，异常的贡献，惯性范围内的能量平衡可能会出现由于级联的散装能源和湍流的再分配的内能在相空间。在同样的限制下，从粒子动量平衡导出的“广义欧姆定律“简化为“理想欧姆定律“，但只是在粗粒度的意义上，不意味着磁通量冻结，并允许在所有惯性范围尺度下的磁重联。我们比较我们的结果与先前的理论的基础上的gyrokinetic（高陀螺频率）的限制，数值模拟，航天器测量的太阳风和地球磁层。
2018-09-28 astro-ph.GA astro-ph.SR physics.plasm-ph
