Variational Formulation of a Hybrid Kinetic and Gyrokinetic Model for Astrophysical and Laboratory Plasmas
KU Leuven（荷语鲁汶大学）；Max Planck Institute for Plasma Physics（马克斯·普朗克等离子体物理研究所）；Ruhr-University Bochum（波鸿鲁尔大学）
该研究针对太阳风电磁湍流，提出含全动理学离子与 gyrokinetic 电子的拉格朗日模型，采用一致数学形式，通过高阶李变换微扰方法与变分法实现高效描述高频波和动理学电子效应的模型。
2026-07-31 physics.plasm-ph
The Eulerian variational formulation of the gyrokinetic system in general spatial coordinates
本研究拓展前期工作，提出一般空间坐标下带静电湍流的回旋动力学系统欧拉变分公式，通过拉格朗日密度对度量张量变分直接得到含湍流效应的对称压强张量，还分析了碰撞与外源项对动量平衡的修正，适用于非轴对称环形系统的全局回旋动力学模拟。
2021-02-05 physics.plasm-ph
Gauge-invariant variational formulations of electromagnetic gyrokinetic theory
本文通过推导回旋中心坐标变换的充分条件，提出一族规范不变的回旋动理学模型，可直接用电磁场表述，并保留正确的阿尔芬波频率。
2025-06-18 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
Formulation and verification of multiscale gyrokinetic simulation of kinetic-MHD processes in toroidal plasmas
UC Irvine（加州大学尔湾分校）；Chinese Academy of Sciences（中国科学院）；KAIST（韩国科学技术院）；Aix-Marseille Université（艾克斯-马赛大学）；University of California, San Diego（加州大学圣地亚哥分校）；University of Science and Technology of China（中国科学技术大学）；Peking University（北京大学）
本文提出并验证了多尺度磁旋动能学模拟模型，用于研究磁约束等离子体中的低频波和湍流，通过统一处理所有动能-磁流体动力学过程。模型通过分离电子响应为解析和非解析部分，有效求解电子漂移动能方程，并用于验证DIII-D托卡马克内部环形模的模拟。
2026-04-07 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
Geometrical Formulation of Hybrid Kinetic and Gyrokinetic Hamiltonian Field Theory for Astrophysical and Laboratory Plasmas
在目前的工作中，一致的拉格朗日模型，封装完全动力学离子和回旋电子的太阳风电磁湍流制定。使用一致的方法，其中电子和质子都被视为具有相同的数学形式主义，我们推导并实现了一个模型，其中高频波和动力学电子的影响被描述在一个计算成本效益的方式。为此，高阶李变换微扰法应用于哈密顿制定的指导中心运动，以描述粒子和场的动力学。此外，使用的哈密顿制定允许我们引入一个阿贝尔和规范不变的电磁场论封闭的系统。
2023-02-10 astro-ph.SR math.SG physics.plasm-ph
Effects of collisions on conservation laws in gyrokinetic field theory
基于回旋运动场论，研究了碰撞对环形等离子体守恒律的影响。关联的碰撞系统与相应的碰撞系统在一个给定的时间，使这两个系统具有相同的分布函数和电磁场瞬间，它示出了如何碰撞项修改的无碰撞守恒定律从诺特定理。在陀螺运动方程中加入外源项的影响可以用与碰撞效应类似的公式表示。利用一种新的回旋碰撞算符，系统地导出了包含碰撞和湍流输运通量的粒子、能量和环向动量平衡方程，并给出了回旋中心空间中能量和正则环向角动量的碰撞变化率的保守形式.在本工作中给出的粒子，能量和环形动量的整体平均输运方程，包括经典，新古典和湍流输运通量同意从传统的递归公式。
2015-08-11 physics.plasm-ph
Reduction and approximation in gyrokinetics
强磁场中等离子体的回旋动力学公式旨在消除与带电粒子绕磁场线的拉莫尔旋转相关的角度。在微扰处理或作为时间平均过程中，陀螺动力学一般是真实动力学的近似。在这里，我们讨论的条件下，陀螺动力学是一个近似或精确操作的框架内减少动力系统的对称性
2007-04-18 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Conservative discontinuous Galerkin scheme of a gyro-averaged Dougherty collision operator
对全f长波回旋动力学中的非线性碰撞算子提出了一种守恒间断Galerkin格式。分析上，该模型算子具有Fokker-Planck算子的对流扩散形式，它具有非减熵泛函，并且保持粒子，动量和能量。离散这些保守的性质保持以及完全独立的数值分辨率。在这项工作中，相空间离散化进行使用一种新版本的不连续Galerkin计划，精心构造使用弱平等和恢复的概念。离散时间推进采用显式时间步进算法进行，我们探讨了其稳定性限制。Gkeyll的长波长gyrokinetic求解器内的制定和实施进行了验证松弛试验，碰撞朗道阻尼基准和研究的5D gyrokinetic湍流螺旋，开放的领域线。
2020-09-14 physics.plasm-ph
Chasing Hamiltonian structure in gyrokinetic theory
在碰撞和无碰撞陀螺动力学理论中，我们研究并揭示了哈密顿结构。提出了一种新的无碰撞电磁理论的哈密顿公式，非常适合在现代超级计算机上实现。用于揭示这种结构的方法进行了详细描述，并应用到一些例子中，其中几个著名的等离子体模型被赋予的哈密顿结构的第一次。提出了全F碰撞陀螺动力学的第一个能量和动量守恒公式。为了更深层次地理解这一结果的理论基础，提出了一种\emph{stochastic}哈密顿建模方法，并将其应用于俯仰角散射。有趣的是，由哈密顿方法产生的碰撞算符等于洛伦兹算符加上高阶项，但并不完全守恒能量。相反，经典的洛伦兹碰撞算符在随机意义上可证明不是哈密顿算符。
2015-09-13 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Verification of the PICLS electromagnetic upgrade in mixed variables
针对回旋动理学粒子网格代码PICLS的安培抵消问题，研究人员实现了带拉回方案的混合变量表述，并通过剪切阿尔芬波模拟完成了该代码不同电磁升级表述的验证。
2025-03-21 physics.plasm-ph
Sources of intrinsic rotation in the low flow ordering
本文提出了一种低流量、$δf$陀螺动力学公式来获得内禀旋转剖面。在低流量排序的动量守恒方程包含新的条款，忽略了在以前的第一性原理配方，可以解释在托卡马克中观察到的内在旋转的情况下，外部源的动量。内禀旋转分布取决于密度和温度分布以及上下不对称性。
2012-03-22 physics.plasm-ph
A Unified Hamiltonian Formulation for Energy Loss, Entropy Evolution, and Fusion Performance in Plasmas
本文提出统一哈密顿量框架，将碰撞算符直接纳入回旋动理学，建立湍流、熵产生与聚变性能之间的定量关系，连接微观动力学与反应堆尺度性能。
2025-07-07 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Improved linearized model collision operator for the highly collisional regime
给出了多组分等离子体的线性模型碰撞算符。Sugama，T. H. Watanabe和M. Nunami [物理学] Plasmas { \bf 16}，112503（2009）]被改进以适当地适用于高碰撞区域。改进的线性化模型算子保留了粒子、动量和能量守恒定律，并再现了由线性化Landau算子导出的相同的摩擦流关系，因此该模型可用于正确评估所有碰撞机制中的新古典输运通量。伴随关系和玻尔兹曼的H-定理是完全满足的改进算子，除了在不同的粒子物种之间的碰撞与不相等的温度，这些关系和H-定理仍然大致成立的情况下，因为有一个很大的差异，两个物种的质量显着不同的温度。即使在不等温的情况下，改进的算子也可以被修改以精确地满足伴随关系，但它会导致摩擦系数的值偏离Landau算子给出的值。此外，为了应用于湍流输运的回旋动力学模拟，在保留有限回旋半径效应的情况下，将改进的算子转化为回旋相位平均的形式。
2019-10-02 physics.plasm-ph
Structure-preserving marker-particle discretizations of Coulomb collisions for particle-in-cell codes
本文为等离子体动力学模型中库仑碰撞的离散化提供了新的见解。基于以前的工作[Carrillo et al. J. Comp. Phys. X 7：100066（2020），Hirvijoki and Burby Phys. Plasmas 27（8）：082307（2020）]，我提出了标准Landau碰撞算子和静电回旋Landau算子的确定性离散时间能量和正性保持，熵耗散标记粒子方案。在标准朗道算子的情况下，该方案还保留了离散时间的动力学动量。这些改进，[Carrillo et al. J. Comp. Phys. X 7：100066（2020），Hirvijoki and Burby Phys. Plasmas 27（8）：082307（2020）]中的结构保持离散化到离散时间的扩展，通过利用所涉及的碰撞算子和所谓的离散梯度积分器的底层metriplectic结构而成为可能。
2021-05-11 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Spatially Localized Particle Energization by Landau Damping in Current Sheets Produced by Strong Alfven Wave Collisions
理解磁化等离子体中湍流涨落的能量去除以及由此产生的等离子体组成粒子的扰动是太阳物理学和天体物理学的一个主要目标。以前的工作表明，对向传播的阿尔芬波之间的非线性相互作用-或阿尔芬波碰撞-是天体物理等离子体湍流的基本组成部分，并在强非线性极限下自然产生电流片。一个强阿尔芬波碰撞的非线性gyrokinetic模拟被用来检查阻尼的电磁波动和相关的粒子的自洽产生的电流片中发生的阻尼。一个简单的模型解释了由于无碰撞阻尼和相关的粒子阻尼所产生的能量流，以及随后通过碰撞使粒子能量热化。由平行电场包围的净粒子被示出为空间间歇性的，并且非线性演化在使空间非均匀性方面是必不可少的。使用最近开发的场粒子相关技术，我们表明，粒子共振的Alfven波在模拟中占主导地位的能量转移，最终证明朗道阻尼在空间间歇性阻尼的电磁波动和随之而来的粒子在这个强非线性模拟的阻尼起着关键作用。
2017-07-21 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Metriplectic bracket for guiding-center Vlasov-Maxwell-Landau theory
本文提出碰撞导向中心Vlasov-Maxwell-Landau理论的度量-泊松表述，用对称耗散括号表示Landau碰撞算子，并证明其守恒能量-动量和角动量且满足H定理。
2025-08-28 physics.plasm-ph
The Collisional Particle-In-Cell Method for the Vlasov-Maxwell-Landau Equations
本文提出一种碰撞粒子云网格方法，通过正则化Landau方程变分形式构造守恒质量、电荷、动量与能量且熵增的碰撞算子离散，将碰撞效应表示为确定性有效力，无需输运-碰撞分裂，并在多种等离子体不稳定性算例中验证其有效性。
2024-03-31 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
