Multiple scale kinetic simulations with the energy conserving semi implicit particle in cell (PIC) method
最近开发的能量守恒半隐式方法（ECsim）的PIC模拟应用于多尺度问题，其中电子尺度的物理需要只保留部分和兴趣是宏观或离子尺度的过程。与混合方法不同，ECsim能够提供动力学电子信息，如波-电子相互作用（朗道阻尼或回旋共振）和非麦克斯韦电子速度分布。然而，像混合，ECsim不需要解决所有的电子尺度，允许时间步长和网格间距的数量级大于显式PIC方案。ECsim的另一个优点是，在大规模的稳定性，同时获得准确地保存能量。三个例子：离子声波，电子声不稳定性和重联过程。
2016-12-25 physics.comp-ph
An Energy- and Charge-conserving, Implicit, Electrostatic Particle-in-Cell Algorithm
本文讨论了一种新的全隐式公式的一维静电粒子模拟（PIC）等离子体方法。与早期的隐式静电PIC方法（基于线性化的Vlasov-Poisson公式）不同，我们的方法基于非线性收敛的Vlasov-Ampère（VA）模型。通过迭代粒子和场到严格的非线性收敛容限，该方法具有优越的稳定性和准确性，避免了早期隐式PIC实现中的大部分准确性陷阱。特别是，制定是稳定的时间（CFL）和空间（混叠）的不稳定性。对任意隐式时间步长的数值求解是电荷和能量守恒的。虽然动量不完全守恒，但自适应粒子子步进轨道积分器使误差保持较小，这有助于防止粒子隧穿。VA模型沿粒子轨道进行轨道平均，以执行具有粒子子步进的能量守恒定理。因此，非常大的时间步长，仅受感兴趣的动态时间尺度的约束，是可能的，而不损失精度。在数学上，该方法具有Jacobian自由牛顿-克雷洛夫求解器。在这项研究中的一个主要发展是新的时间粒子变量（位置和速度）的非线性消除。这种非线性消除，我们称之为粒子奴役，结果在非线性配方与内存的要求相比，流体计算，并为我们提供了大量的自由度方面的粒子轨道积分。给出了数值例子，证明了该方案的宣传性质。特别是，长时间的离子声波模拟表明，数值精度不会降低，即使非常大的隐式时间步长，显着的CPU增益是可能的。
2011-01-19 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Direct Implicit and Explicit Energy-Conserving Particle-in-Cell Methods for Modeling of Capacitively-Coupled Plasma Devices
针对标准粒子网格方法在大规模等离子体器件建模中的高计算成本问题，本文研究了直接隐式和显式能量守恒算法，在二维电容耦合放电模拟中实现大于德拜长度的网格和更大时间步长，以降低运行时间并保持结果准确性。
2023-08-31 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An energy-conserving and asymptotic-preserving charged-particle orbit implicit time integrator for arbitrary electromagnetic fields
提出了一种新的隐式保渐近时间积分方法，用于任意电磁场中带电粒子轨道的计算。该方案建立在Crank-Nicolson积分器的基础上，在小时间步长的限制下继续恢复全轨道运动，但也恢复了所有的一阶引导中心漂移以及正确的回转半径时，跨越回转时间尺度。与以前在这方面的努力相比，新方案还具有精确的节能功能。在格式的推导过程中，我们发现引入了一个新的数值时标。这个规模进行了分析，并由此产生的时间步长的限制。基于此分析，我们开发了一个自适应的时间步进策略的尊重这些限制，而在物理上合理的旋转规模步进。通过对单粒子运动的数值试验表明，该格式的能量守恒性质使计算精度有了很大的提高，并且由于采用了自适应时间步长，该格式能够在磁化和非磁化状态之间平滑过渡。
2019-04-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Performance analysis and implementation details of the Energy Conserving Semi-Implicit Method code (ECsim)
在这项工作中，我们提出了一个名为ECsim的并行代码中的能量守恒半隐式方法的实现。这个新的代码是一个三维的，完全电磁粒子在细胞（PIC）代码。它是用C/C++编写的，并使用MPI来允许大规模并行化。ECsim在时间上是无条件稳定的，消除了有限网格的不稳定性，具有与显式程序相同的循环格式，计算量与其他半隐式PIC程序相当。所有这些功能使它成为一个非常有价值的工具，以解决迄今为止无法用其他PIC代码分析的情况。在这项工作中，我们展示了算法实现的细节，并研究了其在不同系统中的性能。ECsim与另一种具有不同时间和频谱分辨率的半隐式PIC码进行了比较，表明它能够解决其他码失败的情况。
2017-11-14 physics.comp-ph
Gauss's Law Satisfying Energy-Conserving Semi-Implicit Particle-in-Cell Method
Lapenta（2017）介绍的能量守恒半隐式方法（ECSIM）与经典的半隐式和显式PIC方法相比具有许多优点。最重要的是，能量守恒消除了有限网格不稳定性的增长。我们以一种与原始方法不同且更有效的方式实现了ECSIM。更重要的是，我们已经解决了两个主要的缺点，原来的ECSIM算法：没有机制来执行高斯定律，也没有机制来减少数值振荡的电场。满足高斯定律的经典方法是使用基于广义拉格朗日乘子方法的椭圆或抛物线/双曲线校正来修改电场及其发散。然而，这种修正违反了能量守恒性质，与有限网格不稳定性相关的振荡在修正的ECSIM格式中再次出现。我们发明了一种新的替代方法：在校正步骤中修改粒子位置而不是电场。稍微移动粒子并不改变能量守恒性质，而通过改变电荷密度可以满足高斯定律。我们发现，新的高斯定律满足能量守恒半隐式方法（GL-ECSIM）产生优越的结果相比，原来的ECSIM算法。然而，在某些模拟中，电场中仍然存在一些数值振荡。我们将此归因于能量守恒隐式电场求解器的简单有限差分离散化。我们修改了场求解器的空间离散化，以减少这些振荡，同时只稍微违反能量守恒性质。我们证明了改进质量的GL-ECSIM方法与几个测试。
2018-08-17 physics.comp-ph
A semi-implicit, energy- and charge-conserving particle-in-cell algorithm for the relativistic Vlasov-Maxwell equations
传统的显式电磁粒子网格（PIC）算法不能精确地保持离散能量。以时间为中心的全隐式PIC算法可以精确地保持离散能量，但在光波模式中可能引入较大的色散误差。在需要精确光传播的情况下（例如，在激光-等离子体相互作用中），这可能导致不可容忍的模拟误差。在这项研究中，我们选择性地结合蛙跳和Crank-Nicolson方法，产生一个精确的能量和电荷守恒的相对论电磁PIC算法。具体来说，我们采用蛙跳方法的麦克斯韦方程组，和Crank-Nicolson方法的粒子方程。半隐式算法承认精确的整体能量守恒，精确的局部电荷守恒，并保持了蛙跳方法的光波色散特性。该算法采用了一种新的粒子推进器，旨在最大限度地提高效率，并最大限度地减少挂钟时间的影响与显式的替代方案。它已在一个名为iVPIC的代码中实现，该代码基于洛斯阿拉莫斯国家实验室VPIC代码（\url{https://github.com/losalamos/vpic}）。我们提出的数值结果表明，该计划的性质与样本测试问题：相对论双流不稳定性，韦伯不稳定性，和激光等离子体不稳定性。
2019-03-08 physics.comp-ph
The Energy Conserving Particle-in-Cell Method
提出了一种新的精确能量守恒的粒子网格（PIC）方法。运动的粒子方程和麦克斯韦方程的差分隐含在时间的中点规则和解决同时雅可比自由牛顿克雷洛夫（JFNK）求解器。实验结果表明，该方法在能量守恒的PIC模拟中消除了有限网格的不稳定性，正确地描述了双流不稳定性和韦伯不稳定性，准确地保持了总能量的守恒。能量守恒的PIC方法的计算时间与粒子数成线性关系，对网格点数和时间步长不敏感。动力学奴役技术可以有效地用于减少问题矩阵的大小和JFNK求解器迭代的次数。
2011-08-09 physics.comp-ph
Mass-Conserving Implicit-Explicit Methods for Coupled Compressible Navier-Stokes Equations
地球系统模型由耦合组件组成，分别对全球大气、海洋和陆地表面等系统进行建模。虽然这些组件已经开发得很好，但将它们耦合到单个系统中可能是一个重大挑战。计算效率、准确性和稳定性是主要关注点。在本研究中，我们关注这些问题。特别是，隐式显式（IMEX）的紧耦合和松耦合策略，探讨处理不同的时间尺度。对于海气相互作用问题的简化模式，我们考虑带交界条件的耦合可压缩Navier-斯托克斯方程。在刚盖假设下，水平动量和热通量通过界面交换。数值实验证明了耦合格式的稳定性。数值计算和理论分析表明，我们的IMEX耦合方法是质量守恒的耦合可压缩Navier-Stokes系统的刚性盖条件。
2021-05-19 cs.NA math.NA physics.comp-ph
An Energy-Conserving Fourier Particle-in-Cell Method with Asymptotic-Preserving Preconditioner for Vlasov-Ampère System with Exact Curl-Free Constraint
本文提出了一种高效、精确的能量守恒隐式粒子模拟算法，用于模拟具有多物理尺度的复杂等离子体系统。这种方法包括几个不可或缺的要素：（\romannumeral 1）将原Vlasov-Poisson方程组转化为一个等价的无旋度/发散约束的Vlasov-Ampère方程组;（\romannumeral 2）一种新的结构保持傅立叶空间离散化，它在离散级精确地保持这些约束;（\romannumeral 3）求解高度非线性系统的预条件安德森加速算法;和（\romannumeral 4）基于广义欧姆定律，对不同德拜长度的隐式Crank-Nicolson格式进行线性化和一致逼近，其用作所提出的方法的渐近保持预处理器。通过数值实验，将所提出的能量守恒格式与经典的蛙跳格式和Strang算子分裂格式进行了比较，证明了所提出的方法的优越性，特别是对于跨物理尺度的等离子体系统.
2022-11-18 cs.NA math.NA physics.comp-ph
An efficient mixed-precision, hybrid CPU-GPU implementation of a fully implicit particle-in-cell algorithm
最近，一种全隐式的、能量和电荷守恒的粒子网格法被提出用于多尺度、全f动力学模拟[G. Chen等人，J. Comput. 230，18（2011）]。该方法采用无雅可比牛顿-克雷洛夫（JFNK）求解器，能够使用非常大的时间步长，而不会损失数值稳定性或精度。该方法的一个基本特征是粒子轨道计算与场求解器分离，同时保持完全自洽。本文描述了一个非常有效的，混合精度的混合CPU-GPU实现的隐式PIC算法利用这一功能。JFNK求解器以双精度（DP）保存在CPU上，而隐式、电荷保存和自适应粒子移动器则使用CUDA以单精度（SP）在GPU（图形处理单元）上实现。性能为导向的优化介绍了与援助的屋顶模型。隐式粒子移动器算法在Nvidia GeForce GTX 580上实现高达400 GOp/s。这相当于25%的绝对GPU效率与峰值理论性能相比，并且比等效的串行CPU（Intel Xeon X5460）执行速度快约300倍。对于所选的测试用例，混合精度的混合CPU-GPU求解器表现出超过DP CPU仅串行版本的\sim 100倍，在具有挑战性的长时间尺度离子声波模拟中没有明显的鲁棒性或准确性损失。
2011-11-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An Explicitly Solvable Energy-Conserving Algorithm for Pitch-Angle Scattering in Magnetized Plasmas
针对描述磁化等离子体中俯仰角散射过程的随机微分方程，提出了一种显式可解能量守恒（ESEC）算法。Cayley变换用于计算确定性陀螺运动和随机散射，使算法显式可解且精确节能。一个不寻常的性质的俯仰角散射的的阻尼器是，它的系数发散在零速度和不满足整体Lipschitz条件。因此，当标准的数值方法，如Euler-Maruyama（EM），应用，数值收敛是很难建立。对于所提出的ESEC算法，其能量保持属性使我们能够克服这个障碍。我们严格证明了ESEC算法是1/2阶强收敛的。详细的数值研究证实了这一结果。对于在恒定磁场的磁化等离子体的俯仰角散射的情况下，数值解对解析解进行基准，并发现良好的协议。
2021-10-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A Global Non-Hydrostatic Atmospheric Model with a Mass and Energy Conserving Vertically-Implicit-Correction (VIC) Scheme
全球非流体静力大气模式对于研究行星和系外行星的气候变得越来越重要。然而，由于水平和垂直方向之间的大纵横比，这种模型遭受计算困难。为了克服这个问题，我们开发了一个全球性的模型，使用垂直隐式校正（VIC）计划，其中的积分时间步长不再是由声波在垂直传播的限制。我们证明了我们的模型，基于$\rm Athena^{++}$框架及其扩展的行星大气- SNAP（模拟非流体静力大气行星），严格保存质量和能量在有限体积模拟。我们发现，传统的数值稳定器，如高粘度和发散阻尼时，使用VIC格式，这大大简化了数值实现，提高了稳定性。我们目前的模拟结果，从一维线性波的三维全球环流和没有VIC计划。这些测试表明，我们的配方正确地跟踪当地的湍流运动，产生开尔文-亥姆霍兹不稳定性，并产生一个超旋转射流上的热蒸发器。与显式模型相比，采用该VIC方案提高了全球模拟的计算效率两个数量级以上，并促进了区域和全球范围内模拟大范围行星大气的能力。
2020-06-18 astro-ph.EP physics.comp-ph
Higher Order Charge Conserving Electromagnetic Finite Element Particle in Cell Method
直到最近，证明电荷守恒的电磁有限元PIC（EM-FEMPIC）方法使用显式场求解器。直到最近，一系列的论文开发了必要的数学电荷守恒在一个隐式领域解决和证明了一些例子。这允许使用捕获物理所需的时间步长大小，而不是限制于受几何约束的时间步长大小。缺少的一个方面是表示场和粒子的高阶基函数。高阶基在有效地捕获具有较少自由度的复杂场布局方面特别有帮助。本文的主要目标是建立一个高阶EM-FEMPIC的框架，保持稳定性，提高精度，并节省电荷。一些结果证明了其有效性。
2021-11-24 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Energy-conserving explicit and implicit time integration methods for the multi-dimensional Hermite-DG discretization of the Vlasov-Maxwell equations
研究了Vlasov-Maxwell方程的Hermite-DG近似的守恒性质。在该半离散公式中，对于每个等离子体种类，独立地保持总质量。此外，能量不变量存在，如果中央数值通量中使用的DG近似麦克斯韦方程组，而耗散项时，逆风通量。一般而言，传统的时间积分器可能无法在时间演化过程中保持与守恒律相关的不变量。因此，我们分析了显式和隐式龙格-库塔（RK）时间积分保持这样的不变量的能力。由于显式RK方法只能保证线性不变量的保持，但不提供任何控制的系统能量，我们考虑修改显式RK方法的家庭松弛龙格-库塔法（RRK）。这些方法可以调整，以保持能量不变的连续或半离散的水平，一个区别是很重要的，当迎风通量用于离散麦克斯韦方程组，因为迎风提供了一个数值源的能量耗散，是不存在时，使用中心通量。我们证明，所提出的方法是能够保持能量不变，并保持半离散的能量耗散（如果存在）根据离散麦克斯韦方程组。一组广泛的数值实验证实了理论研究结果。它还表明，保持半离散的能量耗散时，使用逆风通量导致整体更好的精度的方法相对于使用逆风通量，同时迫使精确的能量守恒。
2022-11-16 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Energy-momentum-conserving stochastic differential equations and algorithms for nonlinear Landau-Fokker-Planck equation
针对Coulomb碰撞传统SDE仅平均守恒能量动量的问题，通过分解场粒子效应并应用Newton第三定律，推导出精确守恒的Stratonovich SDE及保离散守恒律的数值算法。
2025-03-03 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An angular momentum conserving Affine-Particle-In-Cell method
University of California Los Angeles（加州大学洛杉矶分校）
本文提出了一种新的粒子-网格方法，通过将粒子速度表示为局部仿射函数，实现线性和角动量的守恒，同时减少数值扩散。
2016-03-20 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Arbitrary Order Energy and Enstrophy Conserving Finite Element Methods for 2D Incompressible Fluid Dynamics and Drift-Reduced Magnetohydrodynamics
在完全离散的设置中保持守恒律对于数值模拟的精确长时间行为至关重要，并且需要考虑空间和时间的离散守恒性质。本文推导了任意阶有限元外微积分空间离散的二维（2D）Navier-Stokes方程和漂移减少磁流体动力学方程，保持能量和拟能的机器精度时，一般辛时间积分方法相结合。连续和不连续Galerkin（DG）弱公式都可以保证守恒，但只有一般的辛时间积分方法，如隐式中点法，才允许时间上的精确守恒。此外，辛隐式中点方法产生一个数量级的加速显式计划。这些方法使用MFEM库实现，并针对一系列广泛的2D中性流体湍流测试问题验证了解决方案。通过比较半解析线性特征值求解器以及有限差分全球漂移扰动（GDB）代码的数值解进行验证。然而，它被发现，湍流模拟，保存能量和涡度拟能往往有太多的权力在高波数和这部分的频谱应控制重新引入人工耗散。DG制定允许迎风的平流运营商消散拟能，同时仍然保持能量守恒。耦合迎风DG与隐式辛积分似乎提供了最好的妥协，允许中程波数达到适当的幅度，同时仍然控制高波数部分的频谱。
2022-02-26 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Efficient High-order Mass-conserving and Energy-balancing Schemes for Schrödinger-Poisson Equations
King Abdullah University of Science and Technology（阿卜杜拉国王科技大学）
本文研究了基于松弛方法的薛定谔-泊松方程数值解中的质量与能量守恒，采用隐式-显式龙格-库塔方案和傅里叶离散化空间，通过数值实验验证了方法在三维宇宙模拟中的有效性。
2026-04-07 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Generalized, energy-conserving numerical simulations of particles in general relativity. I. Time-like and null geodesics
弯曲时空中粒子轨道的数值积分是获得大质量致密天体（如黑洞和中子星）周围粒子动力学真实模型的基础。对于标准时空（史瓦西和克尔度规）和非标准时空（例如史瓦西度规加上非经典扰动或多重黑洞度规）的研究，都需要能够处理一般度规的广义算法。最常用的显式数值方法（如龙格-库塔法）不能在临界点产生高精度的结果，例如在接近事件视界的区域，在那里重力导致时空的极端曲率，在可接受的计算成本。在这里，我们描述了一个广义算法的数值积分的类时（大质量粒子）和零（光子）测地线在任何给定的3+1分裂时空。我们引入了一个新的，完全节能的隐式积分方案的基础上保存的基础哈密顿量，我们比较其性能与标准的四阶龙格库塔显式计划和隐式中点计划。我们测试的数值性能的三个计划对解析解的粒子和光子轨道在史瓦西和克尔时空。我们还证明了我们的框架在处理更多的异国情调的指标，如莫里斯-索恩虫洞和量子扰动史瓦西黑洞的多功能性。广义的方法也讨论了在未来扩展到更复杂的粒子动力学的角度，例如，除了洛伦兹力作用于带电粒子，这使得测试粒子诊断GRMHD模拟。
2018-05-31 astro-ph.HE gr-qc physics.comp-ph
Time-reversible and norm-conserving high-order integrators for the nonlinear time-dependent Schrödinger equation: Application to local control theory
针对局部控制理论中一般非线性薛定谔方程现有算法失去时间可逆性或范数守恒的问题，提出了基于隐式中点法对称复合的时间可逆且范数守恒的高阶几何积分器，并在视黄醛模型中实现了显著的计算加速。
2021-04-06 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
Entropy-Conserving Scheme for Modeling Nonthermal Energies in Fluid Dynamics Simulations
我们比较了基于能量的和熵守恒的方案，如未解决的湍流和宇宙射线，使用理想化的流体动力学测试和孤立的星系模拟非热能成分建模的性能。虽然这两种方法的目的是模拟平流和绝热压缩或膨胀的不同的能量成分，能量为基础的计划数值求解的非保守方程的能量密度的演变，而熵守恒计划使用保守方程的修改熵。使用标准的激波管和Zel'dovich煎饼测试，我们表明，基于能量的计划的结果在一个虚假的产生非热能的冲击，而熵守恒的方法进化的能量的机械精度。我们还表明，在一个孤立的$L_\star$星系的模拟，切换方案之间的结果在$\approx 20-30\%$的变化的总恒星形成率和形态的显着差异，特别是在星系中心附近。我们还概述和测试了一个简单的方法，可以用来与熵守恒计划的冲击注入非热能建模。最后，我们讨论了如何熵守恒方案可以用来捕捉的动能消散的数值粘性到亚网格湍流能量隐式，没有明确的源项，需要校准，可以是相当不确定的。我们的研究结果表明，熵守恒方案是首选的建模非热能组件，一个结论是同样相关的欧拉和移动网格流体动力学代码。
2022-05-13 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
An implicit split-operator algorithm for the nonlinear time-dependent Schrödinger equation
针对显式分裂算符算法在求解非线性含时薛定谔方程时失去时间可逆性和二阶精度的问题，提出了一族保范、时间可逆且高效的高阶隐式分裂算符算法，并证明其在可分哈密顿量设定下优于基于隐式中点法的积分器。
2021-11-11 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
An implicit, conservative and asymptotic-preserving electrostatic particle-in-cell algorithm for arbitrarily magnetized plasmas in uniform magnetic fields
本文提出一种适用于均匀磁场中任意磁化等离子体的隐式、守恒且渐近保持的静电PIC算法，通过新的粒子推进方案实现远超回旋周期的大时间步长，在保持能量和电荷精确守恒的同时获得数量级计算加速。
2023-03-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Fluid preconditioning for Newton-Krylov-based, fully implicit, electrostatic particle-in-cell simulations
Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of Colorado Boulder（科罗拉多大学博尔德分校）；University of New Mexico（新墨西哥大学）
本文提出一种流体预条件化方法，用于提高基于牛顿-克雷洛夫方法的完全隐式静电粒子-细胞模拟的效率，通过粒子计算动量方程并加速线性GMRES求解。
2013-09-24 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Energy-Preserving Coupling of Explicit Particle-In-Cell with Monte Carlo Collisions
本文针对显式PIC与MCC耦合时出现的异常数值加热问题，分析其产生根源并提出能量守恒的耦合方案。
2024-10-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Energy conserving schemes for the simulation of musical instrument contact dynamics
University of Music and performing Arts Vienna（维也纳音乐与表演艺术大学）；Queen’s University Belfast（贝尔法斯特女王大学）
本文提出了一种系统方法，通过离散化哈密顿方程推导能量守恒方案，用于摩擦less碰撞建模，通过弦振动案例验证了该方法在声学生成中的有效性。
2015-01-07 cs.NA math.NA physics.comp-ph
A 'moment-conserving' reformulation of GW theory
提出GW理论的矩守恒有效哈密顿量重构，利用RPA密度响应矩递归框架实现低缩放、精确Dyson求解，并在GW100上获得准确稳定的全频频谱。
2023-07-17 cond-mat.str-el physics.chem-ph physics.comp-ph
Photon-Plasma: a modern high-order particle-in-cell code
我们提出了光子等离子体代码，一个现代的高阶电荷守恒粒子在细胞的代码模拟相对论等离子体。该程序使用了高阶隐式场求解器和一种新的高阶电荷守恒插值方案，用于粒子到细胞的插值和电荷沉积。它包括功能强大的诊断工具，包括实时粒子跟踪、合成光谱集成、2D体积切片，以及一种在模拟中正确考虑辐射冷却的新方法。一个强大的技术强加（随时间变化）粒子和场通量的边界上。使用混合的OpenMP和MPI方法，代码可以有效地从8个核心扩展到超过250.000个核心，在一系列架构上几乎是线性的弱扩展。该代码进行了测试与经典的基准粒子加热，冷束不稳定性，双流不稳定性。我们还提出了粒子在细胞模拟的开尔文-亥姆霍兹不稳定性，辐射碰撞冲击的新结果。
2012-11-22 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.comp-ph
Asymptotic-preserving gyrokinetic implicit particle-orbit integrator for arbitrary electromagnetic fields
本文扩展了渐近保持能量守恒的带电粒子时间积分器，通过显式回旋平均电场与电流沉积以及大、小时间步交替策略，在任意电磁场中准确捕捉有限拉莫尔半径效应并实现更大加速。
2023-12-01 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Suppressing spurious oscillations and particle noise in particle-in-cell simulations
针对PIC模拟中高速流等离子体的统计噪声及间断面伪振荡问题，在FLEKS程序中引入带通量限制器的Lax-Friedrichs型扩散项和共动系电流密度计算方法，有效提升激波与磁重联模拟的准确性。
2025-06-12 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
A new leapfrog integrator of rotational motion. The revised angular-momentum approach
本文提出了一种新的积分旋转运动方程的算法。该算法是在一个蛙跳框架内推导出来的，所涉及的整合量是中间步骤的角动量和步骤上的取向位置。与Fincham的标准隐式方法相反[Mol.同时，8，165（1992）]，提出的修正角动量方法完全对应于关于动态变量插值的蛙跳思想，而不使用任何外推。所提出的方案本质上保留了刚性分子结构，并大大提高了稳定性和能量守恒。正如水的模拟的基础上所证明的，它允许再现正确的结果与额外的大步长的顺序5 fs和10 fs的情况下的能量和温度保存的动态，分别。我们还表明，迭代的解决方案可以避免在我们的隐式计划从四元数转移到整个旋转矩阵表示。
1999-01-18 physics.chem-ph physics.comp-ph
The energy-stepping Monte Carlo method: an exactly symmetry-preserving, a Hamiltonian Monte Carlo method with a 100% acceptance ratio
提出采用准显式、辛、保能量且保持对称性的能量步进积分器的ESMC算法，实现100%提议接受率，并在采样探索、自相关和误差方面优于HMC。
2023-12-12 math-ph math.MP physics.comp-ph
Structure-preserving finite element approximations of a hybrid relativistic cold fluid-particle model
本文推导了保持质量、能量和散度约束的冷相对论流体模型混合有限元离散化及时间离散方法，并将其与相对论粒子耦合，数值验证了其收敛与守恒性质，成功应用于等离子体尾场模拟。
2025-10-13 cs.NA math.NA physics.comp-ph
High-order geometric integrators for representation-free Ehrenfest dynamics
Eschlafest动力学是从头算混合量子-经典分子动力学的一个有用的近似，可以处理电子非绝热效应。虽然严格近似于分子含时薛定谔方程的精确解，但埃克塞特动力学是辛的，时间可逆的，并且精确地保持了分子的总能量以及电子波函数的范数。在这里，我们超越了明显的复杂性，由于经典的核和量子电子运动的耦合，并提出了有效的几何积分器的“代表自由”的Ehrfest动力学，它不依赖于非绝热或绝热表示的电子状态，是任意甚至订单的准确性在时间步长。这些数值积分，通过对称组成的二阶分裂方法和精确求解的动力学和潜在的传播步骤，是范数守恒，辛，时间可逆的，无论使用的时间步长。使用一个非绝热模拟在该地区的一个圆锥形的交叉口作为一个例子，我们证明了这些积分器保持几何性质的准确性，如果需要高精度的解决方案，甚至可以比最流行的非几何积分器更有效。
2021-09-04 physics.chem-ph physics.comp-ph quant-ph
