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
Analytic, quasineutral, two-dimensional Maxwell-Vlasov equilibria
利用拟中性条件将静电势表示为矢量势，在平面几何中构造了具有有限电场、轴向（“环面”）等离子体流和各向同性压力的二维Maxwell-Vlasov平衡.对于Harris型分布函数，安培方程变为刘维尔型，并可解析求解。作为例子，给出了一个由一排磁岛组成的周期性“猫眼”稳态。该方法可以推广到（环形）轴对称平衡。
2009-10-16 physics.plasm-ph
Symplectic gyrokinetic Vlasov-Maxwell theory
本文提出了一种新的Vlasov-Maxwell电磁陀螺运动理论，其中陀螺中心运动方程仅用扰动电场和扰动磁场表示。在这种表示中，陀螺中心辛（泊松括号）结构和陀螺中心雅可比矩阵包含与标准的一阶陀螺中心极化和磁化条款，传统上出现在回旋麦克斯韦方程组的电和磁扰动项。此外，陀螺中心极化漂移（包括扰动磁场校正）现在明确出现在陀螺中心速度。辛回旋动力学的弗拉索夫-麦克斯韦方程组是自洽地从一个约束欧拉变分原理，它产生精确的能量动量守恒定律（通过Noether方法），明确验证。在轴对称背景磁场的假设下，导出了一个精确的环面正则角动量守恒定律。
2020-09-24 physics.plasm-ph
Gauge-Free Hamiltonian Structure of the Spin Maxwell-Vlasov Equations
我们推导出一个扩展的动力学理论的规范自由的哈密顿结构，其中考虑到粒子的内禀自旋。这样的半经典理论可以用于描述，例如，强磁化等离子体系统我们发现，这是可能的，以构建广义括号的扩展相空间，并讨论了我们的研究结果的影响。
2011-01-27 physics.plasm-ph
Full Self-Consistent Vlasov-Maxwell Solution
建立了具有圆柱对称性的磁约束等离子体的完全自洽定态Vlasov-Maxwell解。定态解是热力学平衡解。这些是通过计算平衡分布函数获得的，该平衡分布函数是通过最大化熵和闭合具有源项的方程而产生的，然后通过使用获得的分布来计算源项。这导致了一个自洽的问题，对应于解决一组两个耦合的二阶非线性微分方程。相关的等离子体参数的介绍和分叉导致等离子体约束的改善。相反，在改进的约束设置，我们表现出的分界线的带电粒子的可积运动的出现。
2022-08-19 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 detailed investigation of the properties of a Vlasov-Maxwell equilibrium for the force-free Harris sheet
本文详细讨论了Harrison和Neukirch（Phys. Rev. Lett. 102，135003，2009）。将给出分布函数的推导和其一般性质及其对分布函数参数的依赖性的讨论。特别是，分布函数在两个速度分量中可以是单峰或多峰的，可能对稳定性有影响。将研究分布函数的形状对其参数值的依赖性，并讨论与宏观量（如当前板厚度）的关系。
2009-10-31 physics.plasm-ph
Distributional solutions to the Maxwell-Vlasov equations
给出了Maxwell-Vlasov方程的分布形式。分析了子流形的分布，给出了Vlasov方程的一般子流形分布解。所需的属性，使这些解决方案可以是一个分布源麦克斯韦方程组进行了分析，它表明，一个充分条件是时空是全球双曲。冷流、多流和水囊电荷模型是分布Maxwell-Vlasov系统的特例。
2008-09-17 physics.acc-ph physics.plasm-ph
A one-dimensional Vlasov-Maxwell equilibrium for the force-free Harris sheet
本文提出了第一个非线性无力Vlasov-Maxwell平衡。平衡磁场的一个分量具有与Harris片相同的空间结构，但是Harris片通过压力梯度保持力平衡，而在这里提出的无力解中，力平衡通过磁剪切保持。磁压力、等离子体压力和等离子体密度是恒定的。用于找到平衡的方法是基于一维弗拉索夫-麦克斯韦平衡问题与二维保守势中的伪粒子运动的类比。这个势相当于等离子体压力张量的一个对角分量。在找到该压力张量分量的适当函数形式之后，可以使用傅里叶变换方法找到对应的分布函数。无力解可以推广到一个完整的平衡族，描述了从纯压力平衡的哈里斯单到无力哈里斯单的过渡。
2009-02-04 physics.plasm-ph
Nonlinear Interactions of Gravitational Wave with Matter in Magnetic-type Maxwell-Vlasov Description
本文在磁型Maxwell-Vlasov方程的基础上，考虑了引力波与星际物质的相互作用，包括波粒共振和波波共振。结果表明，包括“重力电磁场”或“GEM“场、扰动密度场和自生低频重力磁场在内的场的行为可以用非线性耦合方程Eqs.（6.10）-（6.12）。数值结果表明，它们可能会崩溃。换句话说，由于自凝聚，可以产生更强的GME场，它们可以表现为到达地球的高能引力波。在这种情况下，韦伯的结果也许是可以接受的。
2005-11-13 physics.plasm-ph
Proof of the Jacobi Property for the guiding-center Vlasov-Maxwell Bracket
证明了导引中心Vlasov-Maxwell方程组的哈密顿结构所包含的导引中心Vlasov-Maxwell括号的Jacobi性质。
2021-09-30 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Exact Vlasov-Maxwell equilibria for asymmetric current sheets
美国航天局磁层多尺度飞行任务首次对地球磁层顶的非对称磁重联进行了现场扩散区和动力学尺度分辨率测量。目前用于模拟无碰撞非对称重联的主要理论工具是粒子模拟。许多非对称无碰撞重联的粒子模拟都是从一个非对称的哈里斯型磁场开始的，但其分布函数并不是弗拉索夫方程的精确平衡解。我们提出了新的和精确的平衡解的Vlasov-Maxwell系统是自洽的一维非对称电流片，与非对称的哈里斯型磁场的档案，加上一个恒定的非零的引导场。分布函数可以表示为四个移位麦克斯韦分布函数的组合。这种平衡描述了一个磁场配置比以前已知的精确解具有更多的自由度，并具有不同的整体流动特性。
2017-09-08 physics.plasm-ph
Linear instability of Vlasov-Maxwell systems revisited-A Hamiltonian approach
本文研究了无碰撞等离子体中1（1/2）维和3D Vlasov-Maxwell系统定态的线性稳定性。线性化系统可以写成带约束的可分哈密顿系统。利用可分哈密顿系统的一般理论，我们恢复了以前通过不同方法得到的尖锐的线性稳定性准则。此外，我们得到了线性化的Vlasov-Maxwell系统在相对论和非相对论情况下的指数分解估计。
2021-07-26 math.AP physics.plasm-ph
Neutral Vlasov kinetic theory of magnetized plasmas
在Maxwell-Vlasov系统中考虑了麦克斯韦方程组的低频极限。这个限制产生了一个中性的弗拉索夫系统，捕捉等离子体动力学的基本特征，而忽略辐射效应。利用Euler-Poincaré约化理论证明了中性Vlasov动力学理论在拉格朗日坐标系和欧拉坐标系下都具有变分形式。通过构造，该模型恢复了等离子体模拟中采用的所有无碰撞中性模型。然后，在线性区域中比较了中性Vlasov系统和混合动力学-流体模型。
2014-11-25 physics.plasm-ph
Comment on "Hamiltonian splitting for the Vlasov-Maxwell equations"
Crouseilles、Einkemmer和Faou的论文[1]对Vlasov-麦克斯韦方程组使用了不正确的泊松括号。如果使用了正确的泊松括号，则通常不能精确计算其中一个子系统的解。因此，不能用文献[1]中提出的分裂哈密顿方法构造Vlasov-麦克斯韦方程组的辛格式。
2015-04-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Hamiltonian structure of the gauge-free gyrokinetic Vlasov-Maxwell equations
利用哈密顿泛函和旋动力Vlasov-Maxwell括号给出了无规范旋动力Vlasov-麦克斯韦方程组的哈密顿结构。括号用来说明陀螺运动的角动量守恒定律也可以用哈密顿形式表示。陀螺运动的Vlasov-Maxwell括号的Jacobi性质也明确证明。
2021-11-22 math-ph math.MP physics.plasm-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
Hamiltonian formulation of reduced Vlasov-Maxwell equations
约化的Vlasov-麦克斯韦方程组的哈密顿形式用宏观场D和H表示。这些宏观场本身用泛函S与泊松括号[.，.]精确的弗拉索夫-麦克斯韦方程组。因此，极化矢量P=（D-E）/（4pi）和磁化矢量M=（B-H）/（4pi）根据表达式4pi P=[S，E]+.和4 π M =-[S，B]+...，其中最低阶项产生偶极贡献。
2012-11-05 nlin.CD physics.plasm-ph
Hamiltonian integration methods for Vlasov-Maxwell equations
利用哈密顿分裂技术发展了求解Vlasov-麦克斯韦方程组的哈密顿积分方法。哈密顿泛函被分成五个部分，即，电能，磁能，和动能的三个笛卡尔分量。每个子系统都是关于Morrison-Marsden-Weinstein Poisson括号的Hamilton系统，并且可以精确求解。精确解的组成产生泊松结构保持，或哈密顿，集成方法的弗拉索夫-麦克斯韦方程组，具有优越的长期保真度和精度。
2015-05-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Some remarks on one-dimensional force-free Vlasov-Maxwell equilibria
利用一维Vlasov-Maxwell（VM）平衡问题的一般性质，研究了无力非相对论不变VM平衡的存在条件.如前所述，一维VM平衡方程等价于守恒赝势中的赝粒子运动，其中赝势与等离子体压力张量的对角分量之一成比例。这里的基本方程是以与以前工作不同的方式推导出来的。基于这个理论框架，赝势（等离子体压力）的必要条件，以允许力自由的一维VM平衡制定。结果表明，线性力免费的一维VM解决方案，这是迄今为止唯一的力免费的一维VM解决方案，对应的情况下，赝势是一个有吸引力的中心潜力。本文讨论了导致中心赝势的一类分布函数。
2009-01-13 physics.plasm-ph
Exact hybrid-Vlasov equilibria for sheared plasmas with in-plane and out-of-plane magnetic field
混合Vlasov-Maxwell方程组适用于描述质子动力学尺度或更大尺度的磁化等离子体。一个精确的固定的解决方案是通过重温以前的结果与均匀密度剪切流，平行或垂直于均匀磁场，并通过适应的解决方案的混合弗拉索夫-麦克斯韦模型。通过对温度各向异性、旋向性和热通量的分析和数值研究，定量表征了平衡分布函数。在这两种情况下，在剪切区，速度分布显着偏离当地的热力学平衡。通过对混合Vlasov-麦克斯韦方程组的数值模拟，比较了通常的“类流体”平衡移动麦克斯韦解和精确定态解的时间行为.这些混合平衡态可以作为无扰状态用于许多涉及剪切流的问题，例如非均匀背景中的波传播和Kelvin-Helmholtz不稳定性的发生。
2018-03-27 physics.plasm-ph
A Novel Method to Construct Stationary Solutions of the Vlasov Maxwell system
建立了一种新的方法来推导Vlasov-Maxwell系统的定态解。该方法基于速度分布与麦克斯韦-玻尔兹曼分布的偏差可以用厄米多项式展开的假设。应用我们的方法，导出了一个新的二维平衡，这可能为三维磁场无碰撞重联的研究提供了一个初始装置。
2008-03-27 astro-ph physics.plasm-ph
Hamiltonian particle-in-cell methods for Vlasov-Maxwell equations
本文利用空间协调有限元方法和时间分裂方法，发展了求解Vlasov-麦克斯韦方程组的Hamilton粒子网格法.对于空间离散，给出了选择有限元空间的准则，使得半离散系统具有离散的非正则泊松结构。我们应用一个哈密顿分裂方法的半离散系统的时间，然后得到的算法是泊松保持和显式。该算法的守恒性质保证了对Vlasov-麦克斯韦方程组长时间的高效、精确数值模拟。
2016-06-18 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Stochastic variational principles for the collisional Vlasov-Maxwell and Vlasov-Poisson equations
在这项工作中，我们重铸的碰撞Vlasov-Maxwell和Vlasov-Poisson方程耦合的随机和偏微分方程的系统，我们推导出随机变分原理的基础上，这样的reformations。我们还提出了一个随机粒子方法的碰撞Vlasov-麦克斯韦方程组，并提供了一个变分表征，它可以作为一个基础，为进一步发展的随机结构保持粒子在细胞积分。
2021-08-10 math-ph math.MP math.PR
Theory of one-dimensional Vlasov-Maxwell equilibria: with applications to collisionless current sheets and flux tubes
我们研究在一个空间维度的弗拉索夫-麦克斯韦平衡的理论，以及它的应用到电流片和磁通管模型。“逆问题”是确定与给定磁场自洽的弗拉索夫-麦克斯韦平衡分布函数。我们发展的反演理论，使用厄米多项式的正则动量的扩展。在给定压力张量的情况下，我们找到了厄米展开式收敛的充分条件。对于大类的DF，我们证明了非负的分布函数是偶然的等离子体的磁化强度，并使所有类的示意图。反问题被认为是非线性的“无力哈里斯片”。通过应用Hermite方法，我们首次构造了能够描述等离子体β $(β_{pl})$亚单位值的新模型。虽然证明了所有$β_{pl}$的解析收敛性，但$β_{pl}= 0.85$和$β_{pl} = 0.05$的数值收敛性在“重新测量”过程后得到。我们认为，压力张量必须满足的属性是一致的“不对称哈里斯单”，并构造新的例子。在某些情况下，可以用解析法求解反问题，而在另一些情况下，则必须用数值方法求解。我们提出了新的精确的非对称电流片的弗拉索夫-麦克斯韦平衡，它可以被写为移动麦克斯韦分布的总和，理想的实现在细胞中的粒子模拟。本文研究了圆柱几何中微观和宏观平衡描述之间的对应关系，并试图寻找非线性无力Gold-Hoyle模型的Vlasov-Maxwell平衡。然而，有必要包括背景场，如果需要的话，背景场可以是任意弱的。平衡可以是电非中性的，这取决于整体流量。
2017-10-03 physics.plasm-ph
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
A sharp stability criterion for the Vlasov-Maxwell system
本文研究了描述无碰撞等离子体的相对论Vlasov-Maxwell系统的三维柱对称平衡的线性稳定性问题。对于分布函数随粒子能量单调递减的平衡态，我们在前一篇文章中得到了一个线性稳定性判据。在这里，我们证明了这个标准是尖锐的，也就是说，否则将有一个指数增长的解决方案的线性化系统。因此，对于对称Vlasov-Maxwell平衡类，我们建立了线性稳定性的能量原理。我们还处理相当简单的周期1.5D的情况下。这里介绍的新公式也适用于非相对论性的情况，其他对称性，以及一般的平衡。
2007-02-02 math.AP physics.plasm-ph
Quadratic conservative scheme for relativistic Vlasov--Maxwell system
半个多世纪以来，大多数等离子体科学家在数值求解动力学等离子体的第一性原理方程时，都遇到了违反电荷、动量和能量守恒定律的问题，例如相对论性弗拉索夫-麦克斯韦系统。这个致命的问题是由于弗拉索夫方程组和麦克斯韦方程组都通过一些数学运算间接地与守恒律联系在一起。本文提出了一个二次守恒格式，它通过离散相对论性Vlasov-Maxwell系统，严格保持守恒律。离散乘积规则和分部求和是构造二次保守格式的关键。相对论双流不稳定性和相对论韦伯不稳定性的数值实验验证了计算理论的正确性，该方法将为介观和宏观等离子体物理的第一性原理研究打开大门.
2018-02-20 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Hamiltonian fluid reduction of the 1.5D Vlasov-Maxwell equations
本文考虑具有一个空间方向和两个动量的Vlasov-麦克斯韦方程组，一个动量在纵向，一个动量在横向。通过求解雅可比恒等式，我们导出了与压力张量有关的密度、流体动量和二阶矩的简化哈密顿流体模型。我们还提供了Casimir不变量的约化泊松括号。我们表明，均匀平衡周围的运动方程的线性化再现一些基本特征的动力学模型，韦伯不稳定性。
2021-05-07 nlin.CD physics.plasm-ph
Hamiltonian reduction of Vlasov-Maxwell to a dark slow manifold
我们证明了无碰撞Vlasov-Maxwell系统的非相对论标度意味着在无限维Vlasov-Maxwell相空间中存在形式不变的慢流形。限制在慢流形上的弗拉索夫-麦克斯韦动力学将弗拉索夫-泊松模型和弗拉索夫-达尔文模型恢复为低阶近似，并提供更一般的弗拉索夫-达尔文模型的高阶修正。在微扰论中，慢流形可以被解释为所有阶次的形式弗拉索夫-麦克斯韦解的集合，这些解不激发光波，因此是“暗的”。我们提供了一个启发式的下限的时间间隔，弗拉索夫-麦克斯韦的解决方案初始化最佳附近的慢流形保持黑暗。我们还展示了慢流形上的动力学如何自然地继承了底层系统的哈密顿结构。在以一种简单的形式表示这种结构之后，我们用它来识别对弗拉索夫-达尔文模型的明显的哈密顿修正。高阶项的推导归结为计算系统哈密顿量限制在慢流形上的修正。
2021-06-30 math-ph math.DS math.MP
A novel method to construct stationary solutions of the Vlasov-Maxwell system : the relativistic case
探讨了一种求相对论性弗拉索夫-麦克斯韦系统定态解的方法。在非相对论情形下，用Hermite多项式级数描述偏离Maxwell-Boltzmann分布的情况，成功地导出了一些定态解，包括二维定态解。本文引入了两种特殊的正交多项式级数来代替Hermite多项式级数，这两种特殊的正交多项式级数适合于扩展对Maxwell-Jüttner分布的偏差。应用该方法，导出了一个新的二维平衡态，为研究三维相对论性磁场无碰撞重联提供了一个初步的装置。
2008-06-05 astro-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
Algebra of Invariants for the Vlasov-Maxwell System
本文研究了相对论与非相对论多物种 Vlasov-Maxwell 系统的不变量代数，直接从系统导出不变量及其通量，证明其与 Hamiltonian 泊松对易，并揭示了单极子条件的关键作用。
2025-03-06 math-ph math.MP physics.plasm-ph
SPACE: 3D Parallel Solvers for Vlasov-Maxwell and Vlasov-Poisson Equations for Relativistic Plasmas with Atomic Transformations
一个并行的、相对论性的、三维的粒子胞程序SPACE已经被开发出来用于模拟电磁场、相对论性粒子束和等离子体。除了标准的二阶粒子-细胞（PIC）算法，空间包括有效的新算法，以解决原子物理学过程，如等离子体原子的多级电离，复合，电子附着到掺杂剂在稠密的中性气体。SPACE还包含一个高度自适应的基于粒子的方法，称为自适应粒子云（AP云），用于解决Vlasov-Poisson问题。它消除了PIC的传统笛卡尔网格，并用自适应八叉树数据结构取代它。对代码的算法、结构、性能、并行化策略和性能进行了讨论。文中还介绍了SPACE在加速器科学和工程问题上的应用实例。
2021-11-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Relativistic Vlasov-Maxwell modelling using finite volumes and adaptive mesh refinement
无碰撞等离子体的动力学可以用弗拉索夫-麦克斯韦方程组来模拟。一个欧拉的方法是需要准确地描述由高能量尾部的分布函数的过程，但有限的效率为高维问题。自适应网格的使用可以降低计算成本与问题的维度的比例。在这里，我们提出了一个相对论欧拉Vlasov-Maxwell求解器块结构的自适应网格细化在一个空间和一个动量维。Vlasov方程的离散化是基于高阶有限体积法。一个通量校正的传输算法被应用到限制寄生振荡，并确保分布函数的物理特性。我们证明了一个加速的一个因素的7倍，在一个典型的情况下，涉及激光等离子体相互作用与密度不足的等离子体由于使用自适应网格。
2017-04-04 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Geometric integration of the Vlasov-Maxwell system with a variational particle-in-cell scheme
提出了一种用于求解Vlasov-麦克斯韦方程组的全变分、非结构化电磁粒子积分器。利用离散外微积分的形式，通过最小化单个离散场论作用量，导出了场求解器、插值格式和粒子推进算法。作为确保作用量在离散电磁规范变换下不变的结果，积分器精确地保持高斯定律。
2014-01-27 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
A conservative scheme for the relativistic Vlasov-Maxwell system
本文提出了一种计算1D 2 V相对论Vlasov-Maxwell系统数值积分的新方法。假设在相空间的一个单元中的所有粒子在每个时间步开始时以与位于单元中心的粒子相同的速度移动，我们成功地集成了系统，没有人为的粒子损失。此外，该方法将方程分解为对流和相互作用部分，使粒子的动能和电磁能之和保持不变。用我们的方案解决了三个试验问题，粒子的旋转，韦伯不稳定性，尾流场加速。我们证实，我们的计划可以重现问题的分析结果。虽然我们处理的是1D 2 V的相对论Vlasov-Maxwell系统，但我们的方法可以应用于2D 3V和3D 3V的情况。
2009-11-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Geometric Particle-in-Cell Simulations of the Vlasov--Maxwell System in Curvilinear Coordinates
保持动力学方程结构的数值方案可以在长时间内提供稳定的模拟结果。[Kraus等人，2017]中介绍了一种用于Vlasov-Maxwell方程的电磁粒子单元求解器，该求解器在离散水平上保留了Vlasov-Maxwell方程的非正则哈密顿结构。鉴于原来的公式已经得到了直角坐标系下，我们推广到曲线坐标在本文中的公式。对于离散化的时间，我们讨论了几个（半）隐式方法的基础上的Hamilton分裂或离散梯度法结合反对称分裂的泊松矩阵，并讨论其守恒性质和计算效率。
2020-02-21 cs.NA math.NA 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
Energy-conserving time propagation for a geometric particle-in-cell Vlasov--Maxwell solver
本文讨论Vlasov-Maxwell系统的有限元质点网格离散的能量守恒时间离散。几何空间离散系统可以使用粒子分布的标准粒子单元离散化和场的相容有限元空间来离散化Vlasov-Maxwell模型的泊松括号（参见Kraus等人，J Plasma Phys 83，2017）。在本文中，我们推导出能量守恒的时间离散的基础上的离散梯度法适用于反对称分裂的泊松矩阵。首先，我们提出了一种基于子系统平均矢量场离散化的半隐式方法。此外，我们设计了一个替代的离散梯度，产生一个时间离散化，可以另外保存高斯定律。最后，我们解释了如何substepping快速物种动态可以被纳入。
2019-10-09 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
Energy conserving particle-in-cell methods for relativistic Vlasov--Maxwell equations of laser-plasma interaction
本文对一类约化的相对论性Vlasov-Maxwell方程组的激光-等离子体相互作用问题构造了能量守恒的粒子格方法。数值解也满足离散泊松方程。其中，分布函数采用质点网格法离散，电磁场的离散采用外微积分有限元框架下的相容有限元法，时间离散采用离散梯度法结合泊松分裂。参数不稳定性的数值实验验证了所构造的数值方法的守恒性和良好的长时间行为。
2022-03-12 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
The multi-dimensional Hermite-discontinuous Galerkin method for the Vlasov-Maxwell equations
我们讨论了三维弗拉索夫-麦克斯韦方程组数值模拟的谱方法的发展，分析，实施和数值评估。该方法是基于谱展开的速度空间的非对称加权厄米函数。所得到的系统的时间依赖的非线性方程离散的间断Galerkin（DG）方法在空间和线的方法的时间积分使用显式Runge-Kutta积分。由此产生的代码，称为光谱等离子体求解器（SPS-DG），成功地应用于标准的等离子体物理基准，以证明其准确性，鲁棒性和并行可扩展性。
2020-04-24 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Magnetic moment type of lifting from particle dynamics to Vlasov-Maxwell dynamics
技术的坐标变化，依赖于依赖和独立变量的开发和应用到麦克斯韦-弗拉索夫哈密顿理论。粒子坐标的变化与一个新的速度变量依赖于磁场，与空间坐标不变，被解除转换的非正则泊松括号，因此，场的哈密顿结构的弗拉索夫-麦克斯韦方程。给出了几个例子，包括磁坐标，其中的速度被分解成平行和垂直于本地磁场的分量，和球速度坐标的情况下。举一个例子的程序进行，以获得一个简化版本的陀螺动力学，其中的磁矩被用作一个坐标和动力学是通过消除的电场能量在哈密顿量减少。
2012-12-12 math-ph math.MP nlin.CD
Energy conversion in turbulent weakly-collisional plasmas: Eulerian Hybrid Vlasov-Maxwell simulations
动力学模拟的基础上的欧拉混合Vlasov-Maxwell（HVM）形式主义允许检查等离子体湍流与有用的分辨率的质子速度分布函数（VDF）。HVM模型在这里被用来研究能量的平衡，重点是导致质子动力学效应的转换通道，包括内能和温度各向异性的增长。我们表明，这种欧拉模拟方法，这是几乎无噪声，是能够提供一个准确的能量平衡的质子。结果表明，恢复的温度增长是直接相关的压力-应变相互作用的作用。此外，局部空间相关性的分析表明，压力-应变相互作用定性地与强流，高涡度结构，虽然其他地方的条款-如热通量-削弱的相关性。这些数值计算能力的基础上的欧拉方法将使更深入的研究弱碰撞弗拉索夫等离子体中的传输和转换通道。
2019-07-12 physics.plasm-ph physics.space-ph
Exact nonlinear analytic Vlasov-Maxwell tangential equilibria with arbitrary density and temperature profiles
切向层的特征在于体等离子体速度和垂直于梯度方向的磁场。在磁流体动力学（MHD）理论的框架下，它们已被广泛描述。但是，如果过渡区的大小只有几个离子回旋半径，那么MHD理论就不能研究过渡区内部。本文给出了一系列适用于无碰撞等离子体的动力学切向平衡。这些平衡点是Maxwell-Vlasov方程的精确解析解。粒子分布函数是由矢量势参数化的无穷多个初等函数的和。示出了与空间等离子体有关的平衡的例子。本文提出了一个在地球极光带观测到的深而陡的密度贫化模型。切向平衡也与行星环境和遥远天体物理等离子体的研究有关。
2004-01-28 physics.plasm-ph physics.space-ph
Asymptotic-preserving Particle-In-Cell methods for the Vlasov-Maxwell system near quasi-neutrality
Imperial College London（伦敦帝国理工学院）
本文设计了在准中性极限下适用于Vlasov-Maxwell系统的渐近保持粒子-网格方法，该方法在准中性极限下保持稳定并符合准中性模型，通过重新表述Vlasov-Maxwell系统将两种模型统一在一组方程中，适用于处理等离子体问题。
2015-09-11 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Energy and momentum conservation in the Euler-Poincaré formulation of local Vlasov-Maxwell-type systems
Low [Proc. R. Soc. Lond.经典的Vlasov-Maxwell系统包含欧拉变量和拉格朗日变量的混合。这使得重新参数化对称性的诺特分析不方便，特别是因为众所周知的系统能量和动量守恒定律仅用欧拉变量表示。虽然Vlasov-Maxwell型系统的Euler-Poincaré公式，有效地从Low的作用开始并使用粒子运动的欧拉描述的约束变化，已经知道了一段时间[J. Math. Phys.，39，6，pp. 3138-3157]，很难得到一个有文献记载的推导相关的能量和动量守恒定律的精神欧拉庞加莱机制。据我们所知，迄今为止，文献中只存在一个这样的推导，涉及所谓的引导中心弗拉索夫-达尔文系统[Phys. Plasmas 25，102506]。本论述讨论了一个通用类的本地Vlasov-Maxwell型系统，有意识地选择采用微分几何的语言，充分利用欧拉庞加莱框架。在回顾了从拉格朗日图像到欧拉图像的过渡之后，我们展示了空间中的等距所产生的对称性如何导致线性和角动量密度的守恒定律，以及时间平移的对称性如何产生能量密度的守恒定律。我们还讨论了如果不存在对称性会发生什么。最后，将给出两个明确的例子-经典的Vlasov-Maxwell和漂移动力学Vlasov-Maxwell -以及为熟悉起见用正则向量微积分语言表示的结果。
2020-04-29 math-ph math.DG math.MP
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
A Parallel Low-Rank Solver for the Six-Dimensional Vlasov-Maxwell Equations
连续体Vlasov模拟可用于完全动力学等离子体的高精度建模。近年来，该方法在实际等离子体结构中的应用取得了很大进展。然而，减少高计算成本，这是固有的完全动力学模拟将是可取的，特别是在高速度空间分辨率。为此，可以采用低秩近似。目前可用的低秩求解器仅限于静电系统或低维系统，因此不能应用于大多数空间，天体物理和聚变等离子体。本文提出了一种新的求解全六维电磁场Vlasov-麦克斯韦方程组的并行低秩算法，该算法压缩了速度空间中的粒子分布函数。特别注意质量守恒和高斯定律。低秩Vlasov求解器应用于等离子体湍流和磁重联的标准基准问题，并与全网格方法进行了比较。它产生准确的结果，大大降低了计算成本。
2022-01-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Microscopic foundations of kinetic plasma theory: The relativistic Vlasov--Maxwell equations and their radiation-reaction-corrected generalization
本文讨论了等离子体动力学理论的相对论Vlasov-麦克斯韦方程组近似地描述了Bopp-Landé-Thomas-Podolsky（BLTP）真空中$N$带电点粒子与Maxwell电磁场相互作用的相对论系统，只要微观动力学持续足够长，本文的目的不是提供一个完全严格的证明，而是为特殊相对论等离子体的动力学理论的微观基础绘制一幅概念性的路线图，并强调严格的推导似乎是可行的。本文提出的方法不是使用$n$点边际概率测度的BBGKY型层次结构，而是使用实际经验1点测度的分布PDE，其涉及卷积项中的实际经验2点测度。和经验的2点测量的（张量）产品的连续密度与本身，产生一个有限的$N$ Vlasov的动力学方程组，其中包括辐射反应和非平凡有限的$N$修正Vlasov-Maxwell-BLTP模型。有限$N$修正形式上消失在一个数学标度极限$N\to\infty$中，其中电荷为$\propto 1/\surd{N}$ .辐射反应项在这个极限也消失了。随后的形式极限发送波普的参数$\varkappa\to\infty$产生的弗拉索夫-麦克斯韦模型。
2020-02-21 math-ph math.MP physics.plasm-ph
Relativistic Extension of a Charge-Conservative Finite Element Solver for Time-Dependent Maxwell-Vlasov Equations
在涉及粒子加速器和相对论等离子体的许多问题中，精确地模拟相对论粒子运动对于精确的物理预言是必不可少的。在这里，我们扩展了一个电荷守恒的有限元时域（FETD）粒子在细胞（PIC）算法的时间依赖性麦克斯韦-弗拉索夫方程的不规则（非结构化）网格相对论制度的实施和比较三个粒子推进器：（相对论）鲍里斯，Vay和Higuera卡里。我们说明了应用拟议的相对论FETD-PIC算法分析粒子回旋运动在相对论速度，谐波粒子振荡的洛伦兹增强帧，和相对论伯恩斯坦模式磁化电荷中性（对）等离子体。
2018-01-02 physics.acc-ph physics.comp-ph physics.plasm-ph
Local energy transfer rate and kinetic processes: the fate of turbulent energy in two-dimensional Hybrid Vlasov-Maxwell numerical simulations
本文通过对二维混合Vlasov-Maxwell数值模拟（HVM）的分析，探讨了无碰撞等离子体中惯性范围内湍流能量级联与小尺度动力学过程之间跨尺度联系的本质。首先证明了成对变量之间的相关性，包括与动力学过程和麦克斯韦分布偏差有关的变量。然后，描述了LET的一般性质和统计标度律，证实了其描述湍流叶栅的可靠性，并揭示了其纹理拓扑。最后，这样的代理和诊断变量之间的连接进行了探讨，使用条件平均，显示几个数量的增强，在存在大的正能量通量，并减少附近的网站的负通量。这些观测可以帮助确定哪些过程参与了小尺度的能量耗散，例如离子回旋或镜面不稳定性通常与温度的垂直各向异性相关。
2018-03-05 physics.plasm-ph physics.space-ph
Koopman wavefunctions and Clebsch variables in Vlasov-Maxwell kinetic theory
出于最近的讨论量子计算在等离子体模拟中可能发挥的作用，在这里，我们提出了不同的方法，库普曼的希尔伯特空间制定的经典力学的上下文中的弗拉索夫-麦克斯韦动力学理论。著名的Koopman-von Neumann构造具有两种不同的哈密顿结构：一种是正则的，恢复了Vlasov密度的通常Clebsch表示，另一种是非正则的，似乎克服了正则形式主义中出现的某些问题。此外，正则结构恢复的一个变种的库普曼-冯诺依曼建设进行了不同的相位动力学。回到范霍夫的前量子理论，相应的库普曼-范霍夫方程提供了一个替代的克莱布什表示，然后耦合到电磁场。最后，规范变换在新的背景下的作用进行了详细讨论。
2021-06-09 math-ph math.MP physics.plasm-ph
A family of Vlasov-Maxwell equilibrium distribution functions describing a transition from the Harris sheet to the force-free Harris sheet
我们讨论了一个家庭的弗拉索夫-麦克斯韦平衡分布函数的电流片平衡之间的哈里斯表和无力（或修改）哈里斯表的中间情况。这些平衡分布函数对空间和天体物理等离子体有潜在的应用。Harrison和Neukirch在2009年简要讨论了这些分布函数的存在性，但这里表明，他们的方法在引导场趋于零的极限中遇到了问题。这个问题的性质将被讨论，并提出一种替代方法，以避免这个问题。这是通过考虑磁场分布的轻微变化来实现的，这允许哈里斯和无力哈里斯片情况之间的平滑过渡。
2020-05-20 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
