Unified gas-kinetic wave-particle method for gas-particle two phase flow from dilute to dense solid-particle limit
本文提出了一个统一的颗粒两相流理论框架，它适用于从稀相到浓相的宽范围内的颗粒浓度。两相流由两个耦合的流动求解器来模拟，即，气相采用气体动力学方法（GKS），颗粒相采用统一气体动力学波粒方法（UGKWP）。GKS是连续流的二阶Navier-Stokes流求解器。UGKWP是一种适用于所有流态的多尺度方法。UGKWP中的波和粒子分解取决于细胞的克努森数（Kn）。在较小的Kn数下，由于颗粒间的强烈碰撞，高浓度的固体颗粒相将由欧拉流体动力学波模拟。在一个大的Kn数，稀固体颗粒将被采样，然后由拉格朗日粒子制剂捕获的非平衡输运。在过渡区，粒子和波的分布和演化受局部Kn数控制，并在上述极限之间平滑过渡。该方案在以下几个方面对原方案进行了改进：不同固体颗粒浓度下的阻力模型;高固体颗粒浓度下颗粒间接触的摩擦压力;避免固体颗粒过度堆积的流量限制模型;增加了非保守的喷嘴项和气相功项。此外，通过对碰撞项和数值通量函数的离散化，对稠密颗粒流中的颗粒间碰撞进行了数值细化。用一系列典型的气固两相流问题对数值格式进行了验证。计算结果验证了该方法的准确性和可靠性。
2021-12-03 physics.comp-ph physics.flu-dyn
Exponential BGK Integrator for Multi-Scale Particle-Based Kinetic Simulations
尽管开发了一个广泛的工具箱的多尺度稀薄流模拟器，这样的模拟仍然具有挑战性，由于碰撞和宏观时空尺度的显着差异。我们的研究提供了一个新的和一致的数值方案的耦合处理的粒子平流和碰撞所管辖的BGK的演变，尊重积极的速度分布。我们的方法共享其框架，在精神上，与统一的气体动力学类的多尺度计划。然而，它提供了有吸引力的功能，基于粒子的随机模拟，易于实现现有的直接模拟蒙特卡罗代码。我们证明了原型气体流量的设计方案的准确性和性能，在很宽的范围内的稀疏参数。由于所设计的指数BGK积分器的鲁棒性和灵活性，该计划铺平了道路，更负担得起的模拟大型和多尺度稀薄气体现象。
2022-02-14 physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
Trapping oscillations, discrete particle effects and kinetic theory of collisionless plasma
研究了有限个$N$粒子对无碰撞等离子体中单色静电扰动演化的影响。对于单个波的增长和阻尼，离散粒子数值模拟显示了一个$N$依赖的长时间行为，它不同于由Vlasovian方法引起的数值误差，并且遵循单个粒子的脉动分界线交叉动力学。
2001-03-09 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.comp-ph
Peculiarities of charged particle kinetics in spherical plasma
本文通过动力学模拟研究球形物体周围等离子体中带电粒子的瞬态行为，耦合静电求解器，分析粒子群对电流和屏蔽的贡献，应用于朗缪尔探针和太阳风。
2023-11-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Aggregation kinetics at sedimentation: the impact of particles diffusion
我们调查的聚集动力学的沉降颗粒的理论和数值计算，使用对流扩散方程。由两种传输机制（扩散和平流）引起的团聚对于小颗粒（如大气中的原生灰或烟灰颗粒）和相同或接近尺寸的大颗粒（平流机制较弱）很重要。对于小的Peclet数，量化的扩散和平流的相对重要性，我们得到的聚集率，作为一个扩展的Peclet数。对于大的Peclet数，我们使用纯粹的弹道聚合率。结合这些结果，我们得到的有理逼近的整个范围内的Peclet数。我们还通过数值求解对流扩散方程来计算聚集率。数值模拟的结果与分析理论的研究Peclet数，由四个数量级的变化是非常一致的。
2022-11-03 cond-mat.stat-mech math.AP physics.comp-ph
Unified Gas-kinetic Wave-Particle Methods II: Multiscale Simulation on Unstructured Mesh
本文提出了一种基于非结构网格的统一气体动力学波粒（UGKWP）方法，用于连续流和稀薄流的多尺度数值模拟。继承了统一气体动力学格式（UGKS）中的多风输运，在构造UGKWP方法时，采用了动力学模型方程的积分解，在网格尺度和时间尺度上模拟流动物理。在UGKWP方法中引入了一种新的波粒自适应公式来描述每个控制体中的流动动力学。局部气体演化是通过确定性流体动力学波和随机动力学粒子的动力学相互作用来构造的。在网格尺寸和时间步长的分辨率范围内，流体动力学波和动力学粒子的分解、相互作用和演化取决于时间步长与局部粒子碰撞时间的比值。在稀薄流区，流动物理主要由离散粒子恢复，UGKWP方法表现为随机粒子方法。在连续流状态下，流动行为仅遵循宏观变量演化，并且UGKWP方法成为粘性和导热Navier-Stokes解的气体动力学流体动力学流动求解器。在不同的流态下，通过数值算例验证了非结构网格上UGKWP方法的有效性。UGKWP方法不需要时间步长和网格尺寸小于粒子碰撞时间和平均自由程，就能在所有Knudsen区域得到相同的UGKS解，并具有自动波粒分解功能，因此UGKWP方法非常有效。例如，在马赫数30和Knudsen数0.1的情况下，与UGKS相比，UGKWP在计算量和存储量方面都减少了几个数量级。
2019-03-28 physics.comp-ph
The Fluid-Kinetic Particle-in-Cell Solver for Plasma Simulations
本文提出了一种新的等离子体数值模拟方法，即同时求解多流体方程和麦克斯韦方程。通过计算粒子在自洽电磁场中的运动来计算多流体动量方程中的应力张量，从而在求解多流体方程时保留了动力学效应。麦克斯韦方程和多流体方程在时间上隐式地离散化，使得能够在流体模拟的典型时间尺度上进行动力学模拟。流体动力学的粒子在细胞求解器已实施的三维电磁代码，并测试对离子回旋共振和磁重联的问题。新方法是一个有前途的方法耦合流体和动力学方法在一个统一的框架。
2013-06-05 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Long-time discrete particle effects versus kinetic theory in the self-consistent single-wave model
本文研究了无碰撞等离子体中耦合到单色波上的有限粒子数N的影响。对于波的增长和阻尼，离散粒子数值模拟显示了由单个粒子的动力学引起的N依赖的长时间行为。这种行为不同于由Vlasov方法引起的数值误差。捕获振荡对于长时间动力学是至关重要的，因为波振荡由颗粒分布不均匀性控制，并且脉动分界线交叉驱动弛豫朝向热平衡。
2001-05-15 cond-mat.stat-mech nlin.CD physics.comp-ph
Kinetic effects in diffusion on a disordered square lattice
本文利用动力学蒙特卡罗模拟研究了无序正方晶格中涨落对测试粒子扩散的影响。扩散与物理学内外的各种问题有关。扩散中的动力学效应常常隐藏在对问题的理论描述中。在这项工作中，没有基于能量的假设，扩散纯粹基于测试粒子的尝试率和晶格的占据率和波动率。虽然粒子的平均跃迁速率对于具有特定占据的静态或波动晶格是相同的，但是扩散常数在波动的无序晶格中受到动力学影响。如果晶格的波动比粒子的尝试速率更快，则扩散由粒子的尝试速率控制。然而，如果晶格的波动比粒子的尝试速率慢，则扩散受到波动的影响。晶格波动越慢，扩散常数越低。此外，我们发现，对于快速涨落晶格，扩散是由于布朗运动。如果晶格的波动比粒子慢，扩散就会变得异常，这取决于晶格的占据。
2016-04-14 cond-mat.mtrl-sci cond-mat.other cond-mat.stat-mech
A three-dimensional unified gas-kinetic wave-particle solver for flow computation in all regimes
本文在三维非结构网格上建立了统一气体动力学波粒方法（UGKWP），并进行了多尺度流动模拟的并行计算。UGKWP方法遵循统一气体动力学格式（UGKS）的直接模拟方法，统一模拟不同区域的流动动力学，不需要动力学尺度单元的分辨率，直接得到局部单元的Knudsen数相关的数值解。UGKWP方法由确定性波和随机粒子的演化组成。通过动态波粒分解，UGKWP方法能够在统一的框架下捕捉连续波的相互作用和稀薄粒子的输运，并在不同的流态下实现高效率。通过不同马赫数和努森数的三维激波管问题、盖驱动空腔流动、高速绕流立方体物体和高超声速绕流飞行器等三维算例验证了UGKWP流场求解器的有效性。在天河二号超级计算机上进行了并行性能测试，并在千核处理下观察到了合理的并行性能。由于UGKWP方法采用了波粒方程，因此在求解连续流和稀薄流共存的三维多尺度输运问题，特别是在临近空间飞行的航天器周围高速稀薄流和连续流的问题上具有很大的潜力。
2020-07-26 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Unified gas-kinetic wave-particle methods VI: Disperse dilute gas-particle multiphase flow
本文提出了一种适用于稀散气固多相流的统一气体动力学波粒格式。气相总是处于流体动力学状态。然而，颗粒相涵盖不同的流动状态，从颗粒轨迹交叉到流体动力学波相互作用，局部颗粒相努森数的变化。UGKWP是一种合适的方法，用于捕获的多尺度传输机制的颗粒相，通过其耦合波粒制剂。在粒子碰撞强烈的区域，固体粒子的演化将伴随着准平衡分布的解析波;而在稀薄区域，非平衡粒子相将通过粒子跟踪和碰撞被捕获，这对粒子轨迹交叉行为的恢复起着决定性作用。气体流动的模拟采用气体动力学格式（GKS）。在颗粒的高度碰撞制度中，没有颗粒将被采样在UGKWP和流体动力气相的固体颗粒的波制剂将减少系统的双流体欧拉模型。另一方面，在固体粒子的无碰撞区域，在UGKWP中将遵循固体粒子的自由输运，并且耦合系统将返回到气体和粒子的欧拉-拉格朗日公式。该方案将在所有的流动状态下进行测试，包括非平衡颗粒轨迹交叉，不同努森数下的颗粒浓度，以及随Stokes数变化的颗粒流的分散。对冲击诱导颗粒床流化实验进行了模拟，并将模拟结果与实验测量结果进行了比较。这些数值解验证了所提出的方案的气固多相流模拟的适用性。
2021-07-11 physics.comp-ph
Noise-Induced Magnetic Field Saturation in Kinetic Simulations
蒙特卡罗方法经常被用来对动力学方程进行数值积分，例如用于等离子体动力学方程的粒子网格法，但是这些方法受到将计数噪声引入到解中的影响。我们报告了一个警示性的故事计数噪声修改非线性饱和动力学不稳定性驱动的不稳定的等离子体束。我们发现一个饱和的磁场在欠分辨粒子细胞模拟由于电流密度的采样误差。噪声诱导的磁场是异常的，因为磁场在连续动力学和增加的粒子计数粒子模拟中衰减。这种饱和状态的修改具有广泛的天体物理现象的影响超出了简单的等离子体系统考虑在这里，它强调的是，必须采取的注意，当使用粒子方法的动力学方程。
2020-09-07 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.comp-ph
Determination of single-bond association kinetics by tethered particle motion: concept and simulations
拴系粒子运动（TPM）-通过大分子拴系到基底上的微米或纳米粒子的运动-是一种已被证明非常有用的系统，因为它能够揭示拴系的物理特征，因为结合粒子的热运动敏感地报告其拴系的长度，刚度或折叠状态等参数。在本文中，我们讨论了TPM的一种新的应用，调查其效用在探测单二级键的动力学：键的形成和打破之间的拴系颗粒和基板由于，例如，受体/配体对颗粒和基板。就像系绳本身影响运动模式一样，这种次级连接的存在和缺失也会影响运动模式。保持系链属性不变，我们演示了如何原始的位置TPM数据可以被解析，以产生详细的见解的关联和解离动力学的单二级键。我们使用粗粒度的分子动力学模拟，专门开发来处理接近界面的粒子的运动。
2016-02-06 cond-mat.soft physics.bio-ph physics.comp-ph
A Conservative Discontinuous Galerkin Algorithm for Particle Kinetics on Smooth Manifolds
Princeton University（普林斯顿大学）；Princeton Plasma Physics Laboratory（普林斯顿等离子体物理实验室）
本文提出了一种新型保守不连续伽辽金算法，用于在流形上模拟粒子动力学，通过经典和非经典哈密顿形式表示粒子运动，采用经典形式可实现精确守恒粒子密度和能量，结合BGK碰撞算子并采用迭代方案保持碰撞不变量，展示了多个测试问题并展望了在广义相对论中应用该方法的前景。
2026-05-18 gr-qc physics.comp-ph physics.plasm-ph
A Hybrid Algorithm for Drift-Kinetic Particle Dynamics within General Relativistic Magnetohydrodynamics Simulations of Black Holes Accretion Flows
针对黑洞吸积流中弱碰撞等离子体动力学模拟的尺度分离挑战，提出一种基于协变导向中心形式体系的混合数值算法，利用半隐式积分器实现强场环境下带电粒子轨迹的稳定宏观演化，并在GRMHD模拟中验证了其准确性与效率。
2025-07-15 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Kinetic Modeling of Magnetospheres
本文介绍了磁层中等离子体动力学模拟技术的现状。我们描述的关键数值技术，使大规模的磁层动力学模拟：参数缩放，隐式粒子在细胞计划，流体动力学耦合。我们展示了应用这些技术来研究木卫三磁层中不对称磁重联中的粒子加速和加热。
2020-12-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
