A high-performance elliptic solver for plasma boundary turbulence codes
本文提出了一种基于fGMRES和几何多重网格预处理的高性能椭圆求解器，采用有限差分离散化并支持GPU加速，在等离子体边界湍流代码GRILLIX和GENE-X中实现了O(N)线性缩放和显著加速。
2025-09-15 physics.plasm-ph
Self-consistent Modeling of Inductively Coupled Plasma Discharges
本文提出一种基于HEGEL、PLATO、FLUX和PRE CICE多求解器耦合的ICP放电自洽多物理场建模框架，并通过应用实例验证其有效性。
2023-04-12 physics.plasm-ph
A simple solver for the two-fluid plasma model based on PseudoSpectral Time-Domain algorithm
提出了一种三维双流体等离子体模型的求解器，用于模拟短脉冲激光与等离子体相互作用。该求解器求解了具有理想气体封闭的双流体等离子体模型的方程组。我们还包括Bhatnagar-Gross-Krook碰撞模型。我们的求解器是基于伪谱时域（PSTD）方法求解麦克斯韦旋度方程。我们使用Strang分裂来整合Euler方程和源项：而Euler方程用Lax-Friedrichs和Lax-Wendroff格式混合的复合格式求解，源项用四阶Runge-Kutta格式积分。这种双流体等离子体模型求解器实现简单，因为它只依赖于有限差分格式和快速傅立叶变换。它不需要空间交错的网格。求解器进行了测试，对几个著名的等离子体物理的问题。数值模拟结果与解析解或以前的文献结果非常吻合。
2020-10-27 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Generalized lower-hybrid mode with, density gradient, equilibrium ExB drift, collisions and finite electron Larmor radius: Numerical studies with MATLAB solver
MATLAB求解器的一般色散关系已被开发，以研究局部不稳定性的部分磁化等离子体的典型ExB放电。的西蒙-何，低混合和离子声不稳定性的典型参数潘宁放电的几个例子。该求解器允许参数化地研究宽范围等离子体参数的局部色散关系并准备报告。
2017-03-22 physics.plasm-ph
MITNS: Multiple-Ion Transport Numerical Solver for Magnetized Plasmas
MITNS（Multiple-Ion Transport Numerical Solver）是一种新的数值计算工具，用于对磁化等离子体中的经典交叉场输运进行一维模拟。它对多物种效应的详细处理使其成为该领域的独特工具。我们描述了它模拟的物理模型，以及它的数值实现和性能。
2020-08-19 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Development of grid-based and PINN solvers for electron kinetics in collisional non-thermal plasmas
本文开发并比较了基于网格的传统有限体积法与PINN求解器在碰撞非热等离子体电子动力学中的应用，并探讨了利用机器学习与自适应闭合关系构建约化动力学模型的潜力。
2025-02-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph
An Energy Conserving Parallel Hybrid Plasma Solver
我们研究了混合等离子体求解器在离子束测试问题上的性能。并行求解器在空间上基于单元中心有限差分，在时间上基于预测-校正蛙跳格式。在FLASH软件框架下实现。结果表明，求解器保存能量以及随着时间的推移，并行化是有效的（它表现出弱缩放）。
2010-12-02 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Handling vacuum regions in a hybrid plasma solver
在混合等离子体解算器（粒子离子、流体无质量电子）中，真空区域或非常低的电荷密度可引起问题，因为电场的评估涉及按电荷密度划分。这在低密度区域中引起大的电场，其可导致数值不稳定性。在这里，我们提出了一个自洽的处理真空区域的混合求解器。真空区域可以被认为具有无限大的电阻率，在这个极限下，法拉第定律接近磁扩散方程。我们描述了一种算法，解决了这样的扩散方程的电荷密度低于阈值的区域。我们还提出了一种实现该算法的混合等离子体求解器，并应用到月球和太阳风之间的相互作用。我们还讨论了高电阻率平滑的电场在PIC求解器的实施。
2013-01-02 physics.plasm-ph physics.space-ph
General dispersion properties of magnetized plasmas with drifting bi-Kappa distributions. DIS-K: DIspersion Solver for Kappa plasmas
已知空间等离子体处于（局部）热力学平衡之外，因为观测显示等离子体粒子的非热速度分布的直接或间接证据。突出的是相对于磁场的各向异性，各向异性的温度，场对齐的光束或漂移的人口，而且，超热人口提高所观察到的分布的高能量的尾巴。漂移的bi-Kappa分布函数可以很好地表示这些特征，并能够对这些碰撞贫乏的等离子体的分散和稳定性进行动力学基本描述，其中粒子-粒子碰撞很少，但波-粒子相互作用似乎在动态中起主导作用。在本文中，我们推导出的漂移双卡帕分布建模的磁化等离子体种群的色散张量的全套组件。提出了一种新的求解器DIS-K（DISpersion Solver for Kappa plasmas），用于数值求解高复杂度的色散关系。通过与其他代码获得的阻尼和不稳定的波的解决方案进行比较，在漂移麦克斯韦和非漂移Kappa模型的限制操作的求解器进行验证。这些新的理论工具，使更现实的特点，分析和数值，波波动和不稳定性在复杂的动力学配置现场测量空间等离子体。
2021-05-06 physics.plasm-ph physics.space-ph
FGE: A Fast Free-Boundary Grad-Shafranov Evolutive Solver
École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Google DeepMind（谷歌DeepMind）
FGE是一种快速自由边界Grad-Shafranov演进求解器，用于高效模拟等离子体平衡演进，支持多种电流扩散方程和双极磁轴建模，适用于等离子体控制与分析。
2025-12-07 physics.plasm-ph
Validation of NSFsim as a Grad-Shafranov Equilibrium Solver at DIII-D
本文验证了 NSFsim 在 DIII-D 托卡马克中作为 Grad-Shafranov 平衡求解器的能力，通过模拟五种等离子体形状并与实测信号、EFIT 拟合及 GSevolve 对比，证明其能准确重建等离子体形状和磁通分布。
2024-12-05 physics.plasm-ph
ThunderBoltz: An Open-Source DSMC-based Boltzmann Solver for Plasma Transport, Chemical Kinetics, and 0D Plasma Modeling
ThunderBoltz是一个开源的0D DSMC玻尔兹曼求解器，用于高效模拟等离子体输运和化学动力学，支持任意截面，与Bolsig+及实验数据吻合良好，并具备自洽背景动力学建模能力。
2023-10-11 physics.plasm-ph
PDRF: A General Dispersion Relation Solver for Magnetized Multi-Fluid Plasma
一个通用的色散关系求解器，数值评估的所有波在流体等离子体中的传播特性。包括各向异性压力，外部磁场和光束，相对论动力学，以及局部等离子体的不均匀性的影响。[计算机物理通讯，（2013）; doi：10.1016/j.cpc.2013.10.012;代码：http：//cpc.cs.qub.ac.uk/summaries/AERF\_v1\_0.html]
2013-11-19 astro-ph.SR physics.comp-ph physics.plasm-ph
Accelerated Solvers for Neutral Particle Dynamics in Plasma Simulation
本文提出在GBS代码中采用层次矩阵近似加速托卡马克边界中性粒子动力学求解，实现计算时间与内存降低90%以上，并支持更高空间分辨率模拟。
2025-08-15 physics.plasm-ph
X-Dispersionless Maxwell solver for plasma-based particle acceleration
针对等离子体加速问题的全电磁粒子模拟程序，提出了一种半隐式时域有限差分（FDTD）Maxwell数值求解器。解算器将体积Yee晶格投影到与选定轴（粒子加速方向）垂直的平面中，这使方案准一维。该方案消除了平行于选定轴的电磁波的数值色散。选择横向平面中的场位置，使得该方案对于沿所选轴的相对论变换是洛伦兹不变的。解算器的结果是横向场的“伽利略位移”，每个时间步长正好是一个单元。这消除了数值切伦科夫不稳定性（NCI）的问题。场位置构建平面菱形（RIP）图案。RIP方案使用紧凑的局部模板，这使得它非常适合通过沿所有三维的区域分解进行大规模并行处理。不涉及全局/局部谱方法。
2020-08-25 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Implicit and Coupled Multi-Fluid Solver for Collisional Low-Temperature Plasma
本文提出了一种新的基于全牛顿（非线性、隐式）方法的多流体、多温度等离子体求解器。粒子输运采用电子和离子的漂移-扩散近似与电场的泊松方程耦合。此外，电子能量输运方程求解占电子热导率，焦耳加热，和能量损失的电子在碰撞中与中性物种。电子诱导电离的速率是电子温度的函数，也可能取决于电子密度（对等离子体分层很重要）。离子和气体温度保持恒定。输运方程的空间离散采用了适用于多维ACM框架的半导体物理学中的非等温Scharfetter-Gummel格式。我们展示了新的求解器模拟直流（DC）和射频（RF）放电。耦合方程的隐式处理允许使用大的时间步长，并且全牛顿法在每个时间步长处实现快速非线性收敛，从而大大提高了流体等离子体模拟的效率。我们讨论了解决不同的等离子体问题的时间步长的选择。新的求解器使我们能够解决几个问题，我们不能解决以前与现有的软件：二维和三维结构的整个直流放电，包括阴极和阳极区域的电场逆转，正常的阴极斑点和阳极环，等离子体分层扩散和收缩直流放电，和站立条纹在射频放电。
2020-08-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Resolution-Independent Machine Learning Heat Flux Closure for ICF Plasmas
University of Oxford（牛津大学）；STFC Rutherford Appleton Laboratory（STFC鲁瑟福阿普顿实验室）；Mach42
本文提出一种无分辨率机器学习热通量闭合方法，通过傅里叶神经算子训练，实现了在不同空间和时间分辨率下的热通量预测，提升了数据驱动闭合在辐射-流体模拟中的实用性。
2026-04-03 physics.plasm-ph
Pseudo-spectral solver versus grid-based solver: A quantitative accuracy test using GMHD3D and PLUTO4.4
本文定量比较了伪谱求解器GMHD3D与网格求解器PLUTO4.4在二维和三维流体及磁流体问题上的精度，发现两者结果相似，但GMHD3D在特定物理问题上显著更优。
2024-02-08 physics.comp-ph physics.flu-dyn physics.plasm-ph
BO-PBK: A comprehensive solver for dispersion relations of obliquely propagating waves in magnetized multi-species plasma with anisotropic loss-cone drift product-bi-kappa distribution
College of Electrical and Power Engineering, Taiyuan University of Technology（太原理工大学电气与动力工程学院）；Hebei Key Laboratory of Compact Fusion（河北紧凑型聚变重点实验室）；ENN Science and Technology Development Co., Ltd.（新奥科技发展有限公司）
BO-PBK是一种用于磁化多物种等离子体中斜向传播波色散关系的高效求解器，支持多种分布函数并提升计算效率。
2025-12-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Electromagnetic field solver for QED polarization in super-strong magnetic fields of magnetar and laser plasmas
本文提出了首个在Schwinger极限外有效的电磁场求解器，通过非线性Maxwell方程建模超强磁场中的QED真空极化，并验证了其对电磁波双折射效应的准确再现，可广泛应用于多种动理学模拟。
2025-07-03 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Integrated simulation approach for laser-driven fast ignition
提出了一种完全基于PIC（Particle-in-Cell）模型的集成模拟方法，该方法既考虑了激光与固体密度等离子体相互作用产生的快速粒子，又考虑了粒子在极高密度等离子体中的输运和能量沉积。它是通过在模拟中引入两个独立的系统来实现的，其中快速粒子生成由完整的PIC系统模拟，并且传输和能量沉积由具有简化场求解器的第二PIC系统计算。在全PIC系统中产生的快粒子数据被实时复制到简化PIC系统中作为快粒子源。与两区域方法不同，该方法分别在两个等离子体密度区域中采用单个PIC系统和两个场求解器，本方法不需要匹配场求解器，因为在两个系统中分别采用的简化场求解器和完全求解器是独立的。仿真算例表明，该方法可用于快速点火与真实目标密度的集成仿真。
2015-01-09 physics.plasm-ph
A mimetic spectral element solver for the Grad-Shafranov equation
在这项工作中，我们提出了一个强大的和准确的任意阶求解器的固定边界等离子体平衡环轴对称几何形状。为了实现这一点，我们将[56]中提出的模拟谱元素公式应用于Grad-Shafranov方程的求解。这种方法结合了有限体积离散与混合有限元法。这样，离散微分算子（$\nabla$，$\nabla\times$，$\nabla\cdot$）就可以精确地表示出来，并且所有的近似误差都存在于本构关系中。这种提法的结果是一个任意阶的方法，即使在高度弯曲的网格。另外，\reviewerone{toroidal current $J_ϕ$}的积分正好等于极向场在等离子体边界上的边界积分。这个属性可以在平衡和传输求解器之间的耦合中发挥重要作用。所提出的求解器进行了测试的等离子体横截面（光滑和X点），也为广泛的压力和\reviewertwo{toroidal magnetic flux profiles}。平衡精确到机器精度。最佳的代数收敛速度的顺序$(p+1)$和几何收敛速度所示的Soloviev解决方案（包括高Shafranov位移），场反转配置（FRC）的解决方案和spheromak解析解。该方法的鲁棒性证明了非线性测试用例，特别是在平衡解决方案与压力基座。
2016-04-07 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
High-order two-fluid plasma solver for direct numerical simulations of plasma flows with full transport phenomena
双流体等离子体方程的一个单一的离子物种，与完整的传输条款，包括温度和磁场依赖的离子和电子的粘性应力和热通量，摩擦阻力，和欧姆加热项已实施的CFDNS代码，并解决了使用六阶非耗散紧致有限差分等离子体流在几个不同的制度。为了能够完全解决所有动态相关的时间和长度尺度，同时保持计算的可行性，已经做出了光速无限大和电子惯性可以忽略不计的假设。双流体等离子体方程的无量纲分析表明，通过改变特征/背景数密度，长度尺度，温度，和磁场强度，相应的霍尔，电阻，和理想的磁流体力学（MHD）方程可以恢复为极限情况。这两种流体等离子体求解器在处理不同制度的等离子体流动的准确性和鲁棒性已被验证对四个典型的问题：阿尔芬和哨声色散关系，电磁等离子体冲击，和磁重联。对于所有的测试情况下，通过使用物理耗散和扩散，可以忽略不计的数值耗散/扩散，完全收敛的直接数值模拟（DNS）的解决方案时，基于网格大小的离子雷诺数小于阈值，这是在这项研究中约2.3。对于磁重联问题，结果表明，当离子和磁雷诺数足够大时，磁通量饱和时间和饱和值收敛。因此，DNS的结果变得相关的实际问题与更大的雷诺数。
2018-12-28 physics.flu-dyn physics.plasm-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
ALPS: The Arbitrary Linear Plasma Solver
任意线性等离子体求解器（ALPS）是一个并行化的数值代码，它可以求解热（甚至相对论性）磁化等离子体中的色散关系，其中具有任意数量的粒子种类，具有任意回旋平衡分布函数，用于相对于背景场的任何方向的波传播。ALPS将背景动量分布读取为$(p_{\perp},p_{\parallel})$网格上的值表，其中$p_{\perp}$和$p_{\parallel }$分别是垂直于和平行于背景磁场的方向上的动量坐标。我们提出的数学和数值方法所使用的ALPS，并介绍我们的算法处理极点和解析延续的朗道轮廓积分。然后，我们显示测试计算的色散关系的麦克斯韦，双麦克斯韦，$κ$分布，和Jüttner分布等离子体中的稳定和不稳定的配置的选择。这些测试表明，ALPS推导出可靠的等离子体色散关系。ALPS将有可能确定在空间、实验室实验和数值模拟中经常发现的非平衡等离子体中的波和不稳定性的性质。
2018-03-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
LoKI-GM: a global model framework for plasma chemistry studies
Faculdade de Engenharia, Universidade do Porto（波尔图大学工程学院）
本文介绍了用于等离子体化学研究的开源LoKI-GM全局模型框架，其耦合LoKI-B玻尔兹曼求解器与LoKI-C化学求解器，具多种输运及表面动力学模型支持，可灵活应用于多种放电场景。
2026-07-31 physics.plasm-ph
Computational and Analytical Optimization of Helicon Antennas with a Fast Full Wave Solver Exploiting Azimuthal Fourier Decomposition
University of Wisconsin - Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）
本文提出利用方位角傅里叶分解将三维螺旋波天线波场计算简化为少量二维轴对称模拟，在Comsol中高效计算800种参数组合，发现最佳天线长度与等离子体密度的关系，并给出可用于线性螺旋波装置功率耦合与密度优化的解析表达式。
2025-02-04 physics.plasm-ph
PASCHEN-1D: A one-dimensional fluid plasma solver with multi-mechanism surface emission and flexible external circuit coupling
Department of Nuclear Engineering and Radiological Sciences, University of Michigan（密歇根大学核工程与放射科学系）
PASCHEN-1D是一款耦合多机制表面发射与外电路的一维流体等离子体求解器，经多基准验证可高效模拟气体放电与等离子体击穿，为相关现象建模提供了通用工具。
2026-08-11 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Pseudo-spectral Maxwell solvers for an accurate modeling of Doppler harmonic generation on plasma mirrors with Particle-In-Cell codes
随着PW类激光器的出现，靶上可达到的非常大的激光强度应该能够从相对论激光-等离子体镜相互作用产生强烈的高阶多普勒谐波。目前，这些谐波的粒子在细胞（PIC）代码的建模是极具挑战性的，因为它意味着一个广泛的角度范围内的几十个谐波阶数的准确描述。特别是，我们在这里表明，在大多数PIC代码中使用的标准时域有限差分（FDTD）Maxwell求解器部分未能模拟多普勒谐波产生，因为它们会引起真空中的电磁波的数值色散，这是谐波光束的寄生角偏差的原因。人们对这种效应进行了广泛的研究，并开发了一种基于Snell-Descartes定律的简单玩具模型，使我们能够根据时空分辨率和模拟中使用的Maxwell求解器来精细预测谐波的角偏差。我们的模型表明，这种数值伪影与FDTD求解器的缓解任务非常高的时空分辨率，防止做逼真的3D模拟。我们最后表明，非色散伪谱分析时域求解器可以大大降低时空分辨率，以减轻这种虚假的偏差，并应在不久的将来，在一个现实的时间解决方案的超级计算机上的3D精确建模。
2017-08-01 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A structure-preserving multiscale solver for particle-wave interaction in non-uniform magnetized plasmas
本文提出一种结合守恒局部间断伽辽金格式与轨迹平均方法的结构保持多尺度求解器，用于非均匀磁化等离子体中粒子-波相互作用，严格保持守恒律并降低计算成本。
2025-05-26 cs.NA math.NA physics.plasm-ph
A semi-analytical solver for the Grad-Shafranov equation
在环形约束等离子体中，Grad-Shafranov方程，一般是一个非线性偏微分方程，描述了系统的磁流体平衡。当动压与极向磁通量成正比且极向电流的平方是极向磁通量的二次函数时，该方程成为线性方程，本文将齐次方程的特征值与磁轴上的安全因子、等离子体β和Shafranov位移联系起来，通过物理约束确定了特解的可调参数。将极向磁通量转化为独立解的线性叠加，并采用非线性拟合算法调整其参数。该方法用于寻找具有正向和反向磁剪切的磁流体平衡，以及定义的伸长率、三角形度、纵横比和X点的值。由此产生的环向和极向β，在$95\%$通量表面和等离子体电流的安全因子与通常的高β放电的实验值一致，该模型可用于局部描述反向磁剪切平衡。
2014-09-03 physics.plasm-ph
Half Spectral, an Another General Method for Linear Plasma Simulation
线性（波动和不稳定）问题的计算方法有两种：特征值（频散关系）求解法和初值求解法。实际上，我们可以引入一种将它们结合起来的想法，即，我们保持时间导数dt项（以及如果有其它项，例如，动力学dv项），但是将线性空间导数dx项变换为ik，这然后可以减小计算维度。例如，大多数（流体和动力学）正常模式的问题，可以减少处理繁琐的偏微分方程，以处理简单的常微分方程。文中给出了MHD波、冷等离子体波和动力学朗道阻尼的例子，表明这种方法非常简单，甚至可能是模拟它们的最简单的方法。我不知道这个想法是不是新的，但它似乎很有趣，也很有用。所以，我选择公开。）
2012-11-26 physics.plasm-ph
A mimetic finite difference based quasi-static magnetohydrodynamic solver for force-free plasmas in tokamak disruptions
无力等离子体是一个很好的近似，其中等离子体压力与磁压力相比很小，这是在托卡马克中的主要破裂的冷垂直位移事件（VDE）期间的情况。与阿尔芬波的渡越时间相比，在较长的时间尺度上，无力等离子体的演化最有效地由准静态磁流体动力学（MHD）模型描述，该模型忽略了等离子体的惯性。本文考虑了托卡马克破裂中无力等离子体的正则化准静态MHD模型，并提出了一种拟有限差分（MFD）算法。完整的几何形状的ITER类托卡马克反应堆处理，与包层模块区域，真空容器区域，和等离子体区域。具体来说，我们开发了一个并行的，全隐式的，可扩展的MFD求解器PETSc和DMStag数据结构的基础上的离散化的五场准静态垂直等离子体动力学模型的三维结构网格。MFD空间离散化与全隐式DIRK格式相结合。该算法精确地保持了电阻性欧姆定律下磁场的无发散条件。所采用的预条件是一个四级fieldsplit预条件，这是通过结合单独的预条件为个别领域，调用多重网格或直接求解器的子块或精确分解的单独领域。数值结果证实了无发散约束是强满足的，并证明了fieldsplit预条件和整体算法的性能。给出了ITER VDE实例在实际等离子体电流扩散时间内的模拟结果。
2023-03-23 cs.NA math.NA physics.comp-ph
Wave modelling in a cylindrical non-uniform helicon discharge
采用基于麦克斯韦方程组和冷等离子体介电张量的射频场求解器描述了圆柱形非均匀螺旋放电中观察到的波动现象。实验是在最近建成的线性等离子体-物质相互作用装置--磁化等离子体相互作用实验装置（MAGPIE）上进行的。D.布莱克威尔，J.F.卡内塞斯角Samuell，J. Wach，J. Howard，and C. S. Corr，2012年3月25日提交给Plasma Sources Science and Technology]，其中等离子体密度和静态磁场都是轴向位置的函数。从源到靶板的场强增加了15倍，等离子体密度和电子温度径向不均匀。与增强因子为9.5的电子-离子库仑碰撞频率，12%的天线半径减少，和相同的其他条件中所采用的实验中，求解器产生的轴向和径向轮廓的波的振幅和相位是一致的测量。离子声湍流，这可能会发生，如果电子漂移速度超过声速在磁化等离子体中，可能占9.5的因素，用于匹配模拟结果与实验数据。为了克服RF解算器的单m真空解的限制，其只能计算玻璃对天线的相同模式数的响应，我们调整了天线半径以匹配等离子体中的波场强度。(not由于字数有限，请看全文）
2012-05-16 physics.plasm-ph
A linear dispersion relation for the hybrid kinetic-ion/fluid-electron model of plasma physics
发展了一种适用于等离子体物理的混合模型的色散关系，它结合了完全动力学离子和无质量电子流体的描述。虽然这个模型和它的变化已经被用来描述等离子体现象约40年，到目前为止，不存在一般的色散关系来描述模型中包含的线性波物理。以前的努力沿着这些线在这里扩展到保留任意波的传播角度，温度各向异性的影响，以及在广义欧姆定律，它确定的电场的附加条款。色散关系的数值求解器的开发，和线性波物理基准对一个完整的弗拉索夫-麦克斯韦色散关系求解器的解决方案。这项工作打开了大门，更准确地解释现有的和未来的波浪和湍流模拟使用这种类型的混合模型。
2016-05-23 physics.plasm-ph
PDRK: A General Kinetic Dispersion Relation Solver for Magnetized Plasma
发展了一种通用、快速、有效的数值计算动力学等离子体色散关系的方法。等离子体色散函数采用$J$ -极展开近似。随后，色散关系转化为一个标准的矩阵特征值问题的等效线性系统。结果对于$J=8$是准确的，除了一些有趣的重阻尼模态的解。与传统的方法，如牛顿迭代法相比，这种方法可以给出系统中的所有解或初始猜测周围的一些解。它也没有收敛问题。该方法从静电一维和三维色散关系，电磁动力学磁化等离子体色散关系的双麦克斯韦分布与平行速度漂移。
2014-10-10 astro-ph.SR physics.comp-ph 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
Enhancing predictive capabilities in fusion burning plasmas through surrogate-based optimization in core transport solvers
MIT Plasma Science and Fusion Center（麻省理工学院等离子体科学与聚变中心）；General Atomics（通用原子公司）；University of California San Diego（加州大学圣迭戈分校）；Meta
提出PORTALS框架，结合代理建模与优化，使非线性回旋动力学模拟可低成本、高精度预测芯部等离子体剖面，并在DIII-D五通道稳态剖面预测中验证。
2024-04-09 cs.LG physics.comp-ph physics.plasm-ph
Hybrid Fourier Neural Operator-Plasma Fluid Model for Fast and Accurate Multiscale Simulations of High Power Microwave Breakdown
Group in Computational Science and HPC（计算科学与高性能计算组）；DA-IICT；Dhirubhai Ambani University（迪鲁布希阿尼大学）；Smart Energy Learning Center（智能能源学习中心）；DAU
针对高功率微波击穿多尺度仿真计算成本高的问题，提出融合傅里叶神经算子电磁求解器与等离子体流体求解器的混合模型，实现约60倍加速且精度优异，还提供了多语言仿真工具整合的可行路径。
2025-09-06 cs.AI cs.LG physics.comp-ph
Case study of a differentiable heterogeneous multiphysics solver for a nuclear fusion application
Pasteur Labs（帕斯特实验室）；Ergodic LLC（Ergodic公司）；ISI（信息科学研究所）
本研究针对核聚变Z箍缩场景，基于JAX构建可微ODE求解器，通过Tesseract抽象层兼容不可微的Gkeyll求解器，实现端到端可微的多物理场求解与快速原型开发。
2025-11-17 cs.CE cs.LG cs.MS
Hyper Boris integrators for kinetic plasma simulations and their connection to 3D rotation representations
Space Research Institute, Austrian Academy of Sciences（奥地利科学院空间研究所）；Rikkyo University（立教大学）
研究提出用于非相对论动力学模拟的超鲍里斯积分器这一高精度粒子积分器，并探讨其与三维旋转表示的联系，以满足对高精度数值求解器不断增长的需求。
2026-07-07 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Reduced Physics Model of the Tokamak Scrape-off-Layer for Pulse Design
核心等离子体和边缘等离子体之间的动态相互作用对聚变等离子体的约束和加热有重要影响。刮削层（SOL）等离子体的传输对核心等离子体施加边界条件，并且通过SOL的中性传输影响核心等离子体源。为了更好地研究这些影响在一个自我一致的，时间依赖的方式与合理的周转时间，减少模型是必要的。在本文中，我们介绍了SOL箱模型，一个简化的SOL模型，计算等离子体的温度和密度的SOL给定的核心到边缘的粒子和功率通量和再循环系数。盒模型的分析性质允许一个容易地将SOL物理在控制室中的脉冲设计应用的时间相关的传输解算器。在这里，我们证明了这样的耦合与核心运输求解TRANSP和比较的结果与密度和温度测量，通过汤姆逊散射和朗缪尔探针，NSTX放电。未来的解释和预测模拟的影响进行了讨论。
2022-12-28 physics.plasm-ph
A unified fluid model for nonthermal plasmas and reacting flows
本文提出统一流体求解器 reactPlasFOAM，耦合 ChemPlasKin 与 OpenFOAM，通过实时求解电子玻尔兹曼方程并结合 AMR 等方法，实现等离子体与燃烧的多模式高保真模拟。
2025-06-09 physics.comp-ph physics.plasm-ph
ViDA: a Vlasov-DArwin solver for plasma physics at electron scales
我们提出了一个Vlasov-DArwin数值代码（ViDA）专门设计来解决等离子体物理的问题，小规模的高精度要求，即使在非线性政权，以保证清洁的描述等离子体动力学在精细的空间尺度。该算法提供了一个低噪声的质子和电子动力学的描述，在时间上分裂的多平流Vlasov方程在相空间。根据达尔文近似，重新组织了电场和磁场的麦克斯韦方程组，以去除光波。几个数值试验表明，ViDA成功地再现了线性和非线性波的传播，并捕捉物理的磁重联。我们还讨论了初步测试的并行化算法的效率，在CINECA上的Marconi-KNL集群。ViDA将允许运行欧拉模拟的非相对论性的全动力学碰撞等离子体，它有望提供有关等离子体天体物理学的重要问题，如，例如，在电子尺度的湍流级联的发展和电子尺度的磁重联，如电子扩散区的结构和动力学的见解。
2019-10-24 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
An asymptotic-preserving five-moment two-species plasma model coupled to an external magnetohydrodynamic solver
Institute for Theoretical Physics I, Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学理论物理第一研究所）
研究如何准确模拟无碰撞空间等离子体，通过引入渐近保持策略扩展多模型层次结构，将双物种五矩流体与理想MHD求解器耦合，确保模型界面一致性，经磁重联模拟证明了完全耦合框架的有效性和鲁棒性。
2026-07-17 physics.comp-ph physics.plasm-ph
GSPD: An algorithm for time-dependent tokamak equilibria design
提出GSPD算法，用于设计时变托卡马克平衡，同时满足力平衡和导体电路动力学，代码开源。
2023-06-22 physics.plasm-ph
Accurate modeling of plasma acceleration with arbitrary order pseudo-spectral particle-in-cell methods
粒子模拟（PIC）是一种广泛使用的工具，用于研究激光和光束驱动的等离子体加速。这是一个已知的问题，光束质量可以人为地降低数值切伦科夫辐射（NCR）主要是由一个不正确的色散关系建模。具有无限阶扩展的伪谱解算器可以大大降低NCR，甚至抑制它，因此非常适合于正确建模光束特性。然而，对于PIC算法的有效并行化，本地化求解器是不可避免的。任意阶伪谱方法提供了这种所需的局部性。然而，这些方法可能再次倾向于NCR。在这里，我们表明，可接受的低求解阶数足以正确地模拟感兴趣的物理，同时允许并行计算的区域分解。
2017-03-29 physics.acc-ph physics.plasm-ph
Machine Learning Accelerated Plasma Simulation through Physics Guided Time Jumps
Department of Nuclear Engineering and Radiological Sciences, University of Michigan（密歇根大学核工程与放射科学系）
提出一种结合学习时间跳跃与物理演化的机器学习加速等离子体模拟方案，在PASCHEN-1D求解器中实现，对纳秒脉冲氮气放电实现4.70倍CPU加速，并保持关键物理特征，展示了增强传统求解器的实用途径。
2026-09-22 physics.comp-ph physics.plasm-ph
ECRH beam broadening in the edge turbulent plasma of fusion machines
本文提出了两种非均匀边缘等离子体层中普通模传输的解析模型。简单的解析表达式扩散的角度和空间的光束宽度的变化，并比较来自不同的湍流k-光谱和等离子体条件的2D麦克斯韦方程求解器的时间平均结果。利用这两种方法对ITER ECRH实验中实际湍流边缘参数下微波束的强空间展宽进行了预测。
2014-06-17 physics.plasm-ph
Lagrangian diffusive reactor for detailed thermochemical computations of plasma flows
等离子体流中原子和分子能级布居的热化学非平衡模拟需要对所涉及的所有基本碰撞和辐射过程进行全面的建模。将详细的化学机制与流动求解器耦合在一起是计算昂贵的，并且通常将其应用限制在1D模拟中。我们开发了一个有效的拉格朗日扩散反应器移动沿流线的基线流模拟计算详细的热化学效应。除了它的效率，该方法允许我们模拟连续和稀薄流，同时包括质量和能量扩散。拉格朗日解算器进行了评估，包括强大的正激波，以及二维轴对称钝体高超声速稀薄流的几个测试用例。在所有的测试案例中，拉格朗日反应堆大大提高了基线模拟。拉格朗日重新计算的计算成本通常是数量级较小的一个完整的解决方案的问题。该求解器还具有不受统计噪声影响的额外好处，统计噪声会强烈影响DSMC模拟的准确性，特别是考虑到混合物中的次要物质。结果表明，该方法能够应用详细的机制，多维求解器研究热化学非平衡流。
2018-12-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph
picFoam: An OpenFOAM based electrostatic Particle-in-Cell solver
picFoam是一个完全动态的静电粒子在细胞（PIC）求解器，包括蒙特卡罗碰撞（MCC），在OpenFOAM的开源框架中用于非平衡等离子体研究。求解器的模块化设计基于OpenFOAM中使用的相同原则，通过允许用户在运行时选择不同的方法，使其具有高度灵活性，并通过构建模板化的模块化类进行扩展。采用有限体积法的PIC方法的实施，允许它在一个到三个维度的任意几何形状上进行模拟。OpenFOAM的重心粒子跟踪被有效地用于执行从基于拉格朗日粒子的描述到欧拉场描述的电荷和场加权，而无需计算昂贵的粒子搜索算法。picFoam还包括用于描述真实等离子体设备的开放和通用电路边界模型。
2020-12-29 physics.comp-ph physics.plasm-ph
Multidisciplinary benchmarks of a conservative spectral solver for the nonlinear Boltzmann equation
本文利用扩展的Galerkin-Petrov保守谱算法结合分布式预计算高效求解非线性玻尔兹曼方程，并在弱电离等离子体、气态流体和原子-等离子体相互作用等多个领域完成基准验证。
2022-08-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph
A bespoke multigrid approach for magnetohydrodynamics models of magnetized plasmas in PETSc
充分实现多重网格求解器的潜力通常需要针对给定的应用模型、离散化甚至感兴趣的制度的自定义算法，尽管应用数学社区在开发全代数多重网格（AMG）方法方面付出了近40年的巨大努力。经典的几何多重网格（GMG）已被有效地应用于具有挑战性的，非椭圆形的问题，在工程和科学相关的代码，但应用特定的算法一般需要不借给自己的数值库中部署。然而，库中支持离散化、分布式网格管理和高性能计算（HPC）的工具可用于开发此类求解器。本报告开发了一个磁流体动力学（MHD）代码PETSc（便携式可扩展工具包科学计算）与一个完全集成的GMG求解器，旨在展示我们的方法的潜力，为生产应用提供快速和强大的求解器。然而，这些应用程序必须能够提供，除了雅可比矩阵和残留的纯AMG求解器，层次的网格和知识的应用程序的方程和离散化。一个2D的例子，两个字段减少电阻MHD模型，使用现有的工具，在PETSc的验证与"倾斜”的不稳定性问题，在文献中有很好的记录，是一个例子，在PETSc的存储库（\path{src/ts/tutorials/ex48.c}）。初步的仅CPU性能数据表明，求解器可以是鲁棒的和可扩展的模型问题，被推到一个政权与高度本地化的电流片，这产生了强大的，本地化的非线性，这是一个挑战，迭代求解器。
2023-02-21 physics.comp-ph physics.plasm-ph
