Magnetohydrodynamic-guiding-center-particle-in-cell Method for Multiscale Plasma Kinetic Simulations
Tsinghua University（清华大学）；Princeton University（普林斯顿大学）
本文提出MHD-gPIC方法，在Athena++中实现引导中心近似下的粒子处理，用于研究陀螺共振不重要系统中的粒子加速与输运，并初步探索非相对论磁重联中的粒子加速。
2025-10-16 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Development and Application of Numerical Techniques for General-Relativistic Magnetohydrodynamics Simulations of Black Hole Accretion
我们描述了复杂的数值技术的实现在雅典娜++代码框架中的广义相对论磁流体动力学模拟。许多现有的代码的改进，包括使用先进的黎曼解算器和交错网格约束运输。结合计算性能和并行可扩展性的考虑，这些使我们能够调查黑洞吸积流前所未有的准确性。通过探索磁制动盘的代码的能力证明。
2019-06-24 astro-ph.HE
Quantifying energetics and dissipation in magnetohydrodynamic turbulence
我们进行了一套二维和三维磁流体动力学（MHD）模拟与雅典娜代码的非驱动Kelvin-Helmholtz不稳定性在亚音速，弱磁场限制。集中在非线性湍流制度的分析，我们量化的能量转移的规模规模的基础上，并确定负责能量交换的物理机制，通过开发诊断称为光谱能量传递函数分析。在流体处于MHD湍流状态的后期，磁张力介导能量注入到磁性储层中的主导模式，由此湍流流体运动扭曲和拉伸磁场线。这种产生的磁能恶性级联到更小的尺度，同时与动能库来回交换，直到最终被耗散。与完全数值化耗散相比，显式耗散将耗散尺度推到更大的尺度。对于尺度大于耗散尺度，我们表明，在衰减的MHD湍流的能量转移的物理是强大的数值效果。
2013-11-25 astro-ph.HE
A Reduced-Speed-of-Light Formulation of the Magnetohydrodynamic-Particle-in-Cell Method
降低光速（RSOL）近似是磁流体动力学（MHD）粒子模拟（PIC）的一种有效方法。使用RSOL时，某些“代码内”光速$\tilde{c}$被设置为比真实$c$低得多的值，从而允许模拟采用更大的时间步长（考虑到较大的CR速度，这受到Courant条件的限制）。然而，由于文献中没有一个良好制定的RSOL实现，用RSOL天真地替换真实的$c$，MHD-PIC模拟中的CR特性（例如，CR能量或动量密度，陀螺半径）相对于彼此以及相对于具有不同RSOL选择的收敛（$\tilde{c} \rightarrow c$）解人为地变化。本文导出了一种新的带有RSOL的MHD-PIC方程，证明了：（1）即使对于$\tilde{c} \ll c$，它也保证了CR分布函数和背景等离子体/MHD量的所有稳态性质与RSOL $\tilde{c}$无关;（2）保证了模拟能{ \em同时}代表CR数、质量、动量、和能量密度，（3）保持各种术语（如电场）的正确物理含义，以及（4）确保CR的数值时间步长始终可以安全地增加因子$\sim c/\tilde{c}$。这种新的RSOL配方应使更大的自我一致性和降低CPU成本的CR-MHD相互作用的模拟。
2022-09-19 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
The Event Horizon General Relativistic Magnetohydrodynamic Code Comparison Project
致密天体天体物理学的最新发展，特别是LIGO对合并中子星的发现，事件视界望远镜（EHT）对M87黑洞的成像，以及引力实验（GRAVITY）在接近事件视界尺度上对银河系中心的高精度天体测量，推动了求解广义相对论磁流体动力学（GRMHD）方程的数值源模型的发展。在这里，我们比较GRMHD解决方案的磁化吸积流的演变，湍流是促进磁旋转不稳定性从一组9个GRMHD代码：雅典娜++，BHAC，宇宙++，回声，H-AMR，iharm 3D，HARM-Noble，IllinoisGRMHD和KORAL。代码之间的一致性随着分辨率的增加而提高，这是通过一致应用的、专门开发的一组代码性能指标来衡量的。我们的结论是社区的GRMHD代码是成熟的，有能力的，并在这些测试问题上的一致性。
2019-08-05 astro-ph.HE gr-qc
Magnetohydrodynamic-Particle-in-Cell Method for Coupling Cosmic Rays with a Thermal Plasma: Application to Non-relativistic Shocks
本文提出了一种描述无碰撞宇宙线（CR）粒子与热等离子体相互作用的磁流体动力学粒子格（MHD-PIC）方法。热等离子体被视为流体，服从理想MHD方程，而CRs被视为相对论拉格朗日粒子受洛伦兹力。从CRs到气体的反作用包括在动量和能量反馈的形式。此外，我们包括电磁反馈，由于CR诱导霍尔效应，成为重要的电子-离子漂移速度的背景等离子体的CR诱导接近阿尔文速度。我们的方法适用于尺度远大于离子惯性长度，绕过必须解决在传统的PIC方法的微观尺度，同时保留完整的动力学性质的CR。我们已经实施和测试这种方法在雅典娜MHD代码，其中的整体方案是二阶精度和完全保守的。作为第一个应用程序，我们描述了一个数值实验，研究粒子加速在非相对论冲击。使用一个简化的处方离子注入，我们再现的冲击结构和CR的能量谱获得更多的自洽的混合PIC模拟，但在大幅降低计算成本。我们还表明，CR诱导的霍尔效应降低了贝尔不稳定性的增长率，并影响在冲击波阵面附近的气体动力学。作为一个进步，我们能够捕捉粒子加速从非相对论性的相对论性制度的过渡，与动量谱$f(p)\sim p^{-4}$连接顺利通过过渡，从费米加速理论的预期。
2015-06-24 astro-ph.HE astro-ph.IM
Influence of Ion-Neutral Damping on the Cosmic-Ray Streaming Instability: Magnetohydrodynamic Particle-in-cell Simulations
我们探讨了回旋共振宇宙线流不稳定性（CRSI）的物理，包括离子中性（IN）阻尼的影响。这是（部分电离的）原子和分子气体的主要阻尼机制，它们是星际介质（ISM）的主要成分。IN阻尼对CRSI的限制对于设定阿尔文波的振幅很重要，阿尔文波散射宇宙射线并控制银河尺度的传输。我们的研究采用MHD-PIC混合流体动力学数值技术，遵循线性增长以及后线性和饱和阶段。在线性阶段的不稳定性-模拟和分析理论是在良好的协议-在阻尼防止波生长在小和大的波长，与不稳定的带宽较低的较高的离子中性碰撞率$ν_{\rm in}$。在后线性阶段期间的PIMMHD效应将波谱向更大的$k$扩展。在饱和状态下，宇宙线分布通过由不稳定性激发的阿尔文波的散射而朝着更大的各向同性（更低的流动速度）发展。在没有低$k$波的情况下，具有足够高动量的CR不是各向同性的。在较高的$ν_{\rm in}$下，分布函数的最大波幅和各向同性速率减小。当IN阻尼率接近CSRI的最大增长率时，波的增长和各向同性被抑制。我们的研究结果在部分电离ISM阶段的CR运输的影响进行了讨论。
2021-06-15 astro-ph.GA astro-ph.HE physics.plasm-ph
Magnetohydrodynamic-Particle-in-Cell Simulations of the Cosmic-Ray Streaming Instability: Linear Growth and Quasi-linear Evolution
回旋共振宇宙线（CR）流不稳定性被认为在CR传输中起着至关重要的作用，导致小尺度下的阿尔文波的增长，散射CR，并影响CR与ISM的相互作用。然而，极端尺度分离（$λ\ll \rm pc$），低宇宙线数密度（$n_{\rm CR}/n_{\rm ISM} \sim 10^{-9}$），和弱CR各向异性（$\sim v_A/c$）提出了强大的挑战，适当的数值研究这种不稳定性的微物理水平。采用最近开发的磁流体动力学粒子在细胞（MHD-PIC）的方法，它具有独特的优势，以减轻这些问题，我们进行一维模拟，定量地证明了增长和饱和的不稳定性的参数制度符合现实的CR流在大规模ISM。我们的实施的$δf$方法大大降低了泊松噪声，使我们能够准确地捕捉波的增长在一个广泛的频谱，平等地共享之间的左手和右手阿尔文模式。我们也能够准确地遵循准线性扩散的CR波的增长，这是通过采用相位随机化周期性边界。波系中CR的完全各向同性要求大多数CR的俯仰角有效地穿过$90^\circ$，并且可以在具有相对高的波振幅和/或高空间分辨率的模拟中捕获。我们通过调查个人CR轨迹，将这种交叉归因于非线性波粒相互作用（而不是镜面反射）。我们预计，我们的方法将为未来的研究开辟机会，包括额外的物理。
2019-02-26 astro-ph.GA astro-ph.HE
Numerical Study of Magnetic Island Coalescence Using Magnetohydrodynamics With Adaptively Embedded Particle-In-Cell Model
本研究采用MHD-AEPIC模型模拟磁通量绳合并，通过对比自适应嵌入PIC、固定嵌入PIC和全PIC三种模拟，发现需较大自适应PIC区域才能获得一致结果，表明磁岛合并问题具有强动力学耦合特性。
2023-01-18 astro-ph.HE astro-ph.SR physics.plasm-ph
Cosmic Ray Magnetohydrodynamics: A New Two-Moment Framework with Numerical Implementation
Institute for Advanced Study, Tsinghua University（清华大学高等研究院）；Department of Astrophysical Sciences, Princeton University（普林斯顿大学天体物理科学系）；Department of Astronomy, Tsinghua University（清华大学天文系）
本文提出了一种新的两项时刻框架，用于模拟宇宙射线的磁流体动力学，通过数值实现验证了其在处理CR传输物理中的有效性。
2026-02-03 astro-ph.GA astro-ph.HE
A high order special relativistic hydrodynamic and magnetohydrodynamic code with space-time adaptive mesh refinement
University of Trento（特伦托大学）
本文提出一种高阶一阶ADER-WENO有限体积方案，结合时空自适应网格细化，用于求解特殊相对论流体和磁流体动力学方程，通过局部不连续伽辽金预测方法实现高阶一阶时间离散化，结合时空自适应网格细化，验证了其在不同物理条件下解析相对论流体和磁流体动力学波的能力。
2014-11-20 astro-ph.HE cs.NA math.NA
Pegasus: A New Hybrid-Kinetic Particle-in-Cell Code for Astrophysical Plasma Dynamics
我们描述飞马座，一个新的混合动力学粒子在细胞的代码量身定制的天体物理等离子体动力学的研究。该代码将一个节能的粒子积分成一个稳定的，二阶精度，三阶段的预测-预测-校正集成算法。约束输运方法用于对磁场施加无发散约束。包括一个delta-f计划，以促进减少噪音的系统中，只有小偏离的初始分布函数的研究预计。旋转和剪切的影响是通过轨道平流的剪切片形式实现的。这些算法被嵌入到一个架构中，类似于流行的天体物理磁流体动力学代码雅典娜，一个模块化的，有据可查的，易于使用的，并有效地并行化的数千个处理器上使用。我们提出了一系列的测试，在一个，两个和三个空间维度，展示了保真度和多功能性的代码。
2013-11-19 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.plasm-ph
Gmunu: Paralleled, grid-adaptive, general-relativistic magnetohydrodynamics in curvilinear geometries in dynamical spacetimes
我们提出了一个更新的广义相对论多重网格数值（Gmunu）代码，一个并行化的，多维曲线，广义相对论磁流体动力学代码与一个有效的非线性细胞为中心的多重网格（CCMG）椭圆形求解器，这是完全耦合与一个有效的基于块的自适应网格细化模块。目前，Gmunu能够用多重网格方法在共形平坦条件（CFC）近似下求解椭圆度规方程，并通过高分辨率激波捕获有限体积方法求解理想广义相对论磁流体动力学方程，参考度规公式在Carnival，圆柱或球形几何中多维化。为了保证在演化过程中不出现磁单极子，我们发展了一种利用多重网格求解器的椭圆发散清理方法。在本文中，我们提出的方法，完整的演化方程和实现细节，我们的代码Gmunu和它的属性和性能在一些基准和具有挑战性的相对论磁流体力学问题。
2021-09-10 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
Magnetohydrodynamic Simulation Code CANS+: Assessments and Applications
我们提出了一个新的磁流体动力学（MHD）模拟代码的目的是提供准确的数值解天体物理现象的不连续性，冲击波和湍流是固有的重要。该代码实现了HLLD近似黎曼求解器，五阶单调性保持插值（MP5）计划，和双曲发散清洗方法的磁场。这种方案的选择大大提高了数值精度和稳定性，并节省了多维问题的计算成本。一维和二维问题的数值试验表明，使用高阶格式的优势，从一个标准的二阶TVD MUSCL格式的结果进行比较。本代码使我们能够探索长期的演化的三维吸积盘周围的黑洞，其中可压缩MHD湍流引起连续的质量吸积通过非线性增长的磁旋转不稳定性（MRI）。不同计算单元尺寸的数值试验显示了全球模型中MRI早期非线性增长的收敛图像，并表明MP5格式在实际应用中的分辨率是MUSCL格式的两倍多。
2019-08-19 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.comp-ph
A Generalized Quasi-Neutral Fluid-Particle Hybrid Plasma Model and Its Application to Energetic-Particle-Magnetohydrodynamics Hybrid Simulation
在准中性假设下，提出了一个适用于无碰撞等离子体的广义流体-粒子混合模型。该系统由流体离子和电子以及任意数量的物种组成，其动力学由弗拉索夫方程控制。因此，所提出的模型是一个通用的版本，著名的标准混合等离子体模拟模型，其中的离子是完全动力学的，而电子被假定为流体。由于所提出的模型采用广义欧姆定律的精确形式，质量和能量密度，以及动力学物种的荷质比，采取任意的。在不存在动力学物质的情况下，它简化为准中性双流体模型（Amano，2015，JCP）。在相反的情况下，动力学粒子的质量和能量密度远大于流体离子，它只不过是标准的混合模型与有限的电子惯性效应。如果动力学粒子是质量密度可以忽略不计但能量密度很大的高能粒子（EP），并且尺度尺寸远大于离子和电子的惯性长度，则它描述了磁流体动力学（MHD）和EP动力学之间的自洽耦合。因此，能量粒子磁流体动力学（EP-MHD）混合模型是本文所述的更一般的模型的一个特例。这种方法比现有的模型的优点进行了讨论。一个三维模拟代码求解所提出的方程组进行说明。该代码结合了粒子在细胞计划解决的动力学物种和黎曼求解器为基础的代码的双流体方程。几个基准模拟结果证实，代码成功地捕捉到的EP人口相互作用的MHD流体自洽的动态。
2018-04-10 astro-ph.HE physics.plasm-ph physics.space-ph
Two-dimensional Particle-in-Cell simulations of axisymmetric black hole magnetospheres
本文采用二维粒子模拟方法研究了一个快速旋转的恒星质量黑洞周围轴对称磁层的时间演化。采用同质对产生，并假设质量吸积率远小于爱丁顿极限，我们发现黑洞的转动能优先从中纬度提取，并且这种向外的能流表现出持续约160个动力学时间尺度的增强。它表明，磁流体动力学近似不能证明在这样一个磁主导的磁层，因为欧姆定律完全打破，因为电荷分离的电子-正电子等离子体是高度非中性的。一个含义是相对论性喷流的准直。
2020-12-14 astro-ph.HE astro-ph.SR
A Subluminal Relativistic Magnetohydrodynamics Scheme with ADER-WENO Predictor and Multidimensional Riemann Solver-Based Corrector
相对论性磁流体动力学（RMHD）方程组最近在天体物理计算中得到了越来越多的应用。即便如此，RMHD代码仍然很脆弱。重建有时会在网格的某些部分产生超光速。在本文中，我们提出了一种重建策略，克服了这个问题，使一个单一的保守的原始转换每个细胞，然后高阶WENO重建一组精心选择的原语，保证亚光速重建的流量变量。对于通过预测步骤的时间演化，我们还提出了二阶，三阶和四阶精确的ADER方法，保持速度在预测步骤。RMHD系统还要求磁场以无发散的方式演化。在经典数值MHD的治疗类似的问题已经看到了最近的进展与多维黎曼解的出现。通过开发RMHD的多维黎曼解算器，我们表明，类似的进步延伸到RMHD。结果，在校正步骤中使用边缘中心电场可以更精确地演化面中心磁场。这些边缘中心的电场来自一个多维黎曼求解RMHD，我们在本文中提出。在本文中，我们还开发了几个新的测试问题RMHD。我们表明，RMHD涡可以设计的计算网格上传播的自我保护的结构。这些RMHD涡测试问题提供了一种手段，做真正的多维精度测试RMHD代码。其他几个严格的测试问题。我们在某些测试问题的分辨率的重要性。我们的测试包括一个演示，RMHD涡是稳定的，当他们与冲击相互作用。
2016-02-01 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
A GPU-Accelerated Modern Fortran Version of the ECHO Code for Relativistic Magnetohydrodynamics
本文通过原生 Fortran 内置构造和少量 OpenACC 指令将相对论 MHD 的 ECHO 代码移植到 GPU，在基准测试中速度提升至少 16 倍，并展示了高分辨率湍流模拟的潜力。
2024-01-05 astro-ph.HE physics.comp-ph physics.flu-dyn
A nonrelativistic radiative transfer module for Idefix
Univ. Grenoble Alpes, CNRS, IPAG（格勒诺布尔阿尔卑斯大学，法国国家科学研究中心，天文与行星物理研究所）
为开源磁流体力学代码IDEFIX开发基于Kokkos库的非相对论辐射传输模块，采用M1近似和分裂显隐格式，支持多种几何和加速架构，性能优异。
2026-08-25 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Non-ideal fields solve the injection problem in relativistic reconnection
相对论等离子体中的磁重联被公认为是一种快速而有效的粒子加速器，能够解释最引人注目的天体物理耀斑。粒子在细胞模拟，我们证明了非理想领域的粒子加速的早期阶段（“注射”）的重要性。最终具有高能量（接近或高于每个粒子的平均磁能）的大多数粒子必须通过非理想区域，在非理想区域中，理想磁流体动力学的假设被打破（即，具有$E>B$或非零$E_\parallel={\bf E}\cdot {\bf B}/B$的区域），而不经历非理想场的粒子最终具有单位阶的洛伦兹因子。因此，通过非理想场的注入是进一步加速的必要先决条件。我们的研究结果对高能天体物理源中非热粒子的起源具有重要意义。
2022-03-08 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Density jump as a function of magnetic field strength for parallel collisionless shocks in pair plasmas
无碰撞激波遵循朗肯-雨果纽跳跃条件，达到很好的近似。然而，对于平行于磁场传播的激波，磁流体力学指出激波的性质与磁场强度无关，而最近的Particle-in-Cell模拟揭示了这种激波在无碰撞状态下的磁流体力学行为的显著偏离。发现这种偏离是由下游压力中的场驱动各向异性引起的，但这种各向异性对场强的函数依赖性尚未确定。在这里，我们提出了一个非相对论模型的等离子体演化通过冲击波阵面，允许推导的下游各向异性的场强。我们的方案假设双绝热演化的一对等离子体通过冲击波阵面。因此，垂直温度是守恒的。如果产生的下游是稳定的，那么等离子体保持在这种状态。如果不稳定，它会向消防水管稳定性阈值迁移。在这两种情况下，守恒方程，连同有关的假设上的温度，允许一个完整的确定的下游各向异性的场强。
2018-10-16 astro-ph.EP astro-ph.HE astro-ph.SR
The impact of kinetic effects on the properties of relativistic electron-positron shocks
我们评估的非热冲击加速粒子的磁流体动力学（MHD）相对论冲击跳跃条件的影响。绝热常数直接从第一原理粒子模拟数据计算，使半动力学方法，以改善标准流体模型，并允许识别的关键参数，定义的冲击结构。我们发现，不断变化的上游参数有一个更强的影响比由于非热粒子的修正。我们发现，上游散装速度的减少产生的偏差从标准的MHD模型高达10%。此外，我们得到了一个定量定义的冲击过渡区从我们的分析。对于韦伯介导的冲击，包括一个磁场中的MHD守恒方程的解决第一次。
2012-10-09 astro-ph.HE physics.plasm-ph
Linear Analysis and Simulations of the Cosmic-Ray Streaming Instability: the Importance of Oblique Waves
本文推导并模拟验证了三类MHD波的宇宙射线流不稳定性色散关系，揭示斜向Alfvén波对低能粒子跨越90度投掷角壁垒及低β等离子体散射的关键作用。
2025-06-09 astro-ph.HE
From electrons to Janskys: Full stokes polarized radiative transfer in 3D relativistic particle-in-cell jet simulations
相对论性河外喷流的基本等离子体成分在很大程度上仍然未知。相对论磁流体动力学（RMHD）模型能够再现许多观察到的宏观特征，这些外流。然而，甚长基线干涉（VLBI）阵列检测到的非热同步辐射，是一个副产品的动力学尺度的物理发生在喷流，物理不直接在大多数RMHD代码建模。本文试图辨别不同的等离子体成分之间的相对论喷流的辐射差异，使用小规模的三维相对论粒子在细胞（PIC）模拟。我们生成两个PIC射流模拟的全斯托克斯成像，其中一个射流由电子-质子（$e^{-}$ - $p^{+}$）等离子体组成（即，正常等离子体射流），和其中射流由电子-正电子（$e^{-}$ - $e^{+}$）等离子体组成的另一种（即，一对等离子体射流）。我们研究了从这两个射流模拟中产生的线偏振（LP）和圆偏振（CP）的形态和强度的差异。我们发现，从$e^{-}$ - $p^{+}$等离子体射流中发出的CP的分数水平比从具有相似速度和磁场强度的$e^{-}$ - $e^{+}$等离子体射流中发出的水平大几个数量级。此外，我们发现两种喷流组合物的线偏振和圆偏振同步辐射的形态是不同的。我们还证明了慢光插值的重要性，我们强调的效果，有限的光交叉时间所产生的偏振光线追踪时，通过相对论等离子体。
2021-06-09 astro-ph.HE
