Thermal ion kinetic effects and Landau damping in fishbone modes
等离子体宏观不稳定性的动力学-MHD混合模拟方法可以扩展到包括热离子和高能离子的动力学效应。新的耦合方案除了压力耦合外，还包括热离子和MHD之间的密度和平行速度的同步，以保证准中性条件并避免数值误差。新方法已在动力学MHD程序M3 D-C1-K中实现，并用于研究DIII-D和NSTX中鱼骨模式下的热离子动力学效应和朗道阻尼。结果表明，热离子动力学效应可以使$q_\mathrm{min}>1$的非共振$n=1$鱼骨模的频率增加，Landau阻尼可以提供额外的稳定效应.对NSTX中的$n=1$鱼骨模进行了非线性模拟，计算了磁通量表面的扰动和高能粒子的输运。
2022-06-08 physics.plasm-ph
Spin-electron acoustic waves: The Landau damping and ion contribution in the spectrum
为了更详细地研究自旋电子声波，我们导出了自旋上升和自旋下降的量子动力学方程。动力学理论允许比量子流体力学更精确地获得包括量子态占据效应的自旋电子声波的谱。我们应用量子动力学方法计算了自旋电子声波的朗道阻尼。我们考虑了离子动力学对自旋电子声波谱的贡献。我们得到了经典离子在温度范围内对朗道阻尼的贡献。动力学分析离子声，零声，朗缪尔波在单独的自旋和自旋下降的电子动力学。
2014-09-28 physics.plasm-ph
Chapman-Enskog derivation of multicomponent Navier-Stokes equations
将纳维-斯托克斯方程推广到多组分体系有几个原因。许多技术应用是基于既不存在于纯元素中也不存在于二元混合物中的物理现象。虽然傅立叶定律必须在二进制中推广，但只有当两个以上的分量时，菲克定律才能以简单的形式分解。耗散现象的出现也影响了惯性约束聚变构型，这些构型被设计为未来聚变核电站的原型，有望取代裂变核电站。自从Snider最近在\textit{Phys. Rev. E} \textbf{82}，051201（2010）中提出的形式主义出版以来，这个重要的主题可以用比许多教科书中简单得多的术语来描述。以一种非常自然的方式，它用独立的部分密度集代替了线性相关的原子分数。然后，Chapman-Enskog程序几乎没有复杂的多组分混合物比纯元素。此外，Baalrud和Daligault最近在\textit{Phys. Plasmas} \textbf{26}，082106（2019）中提出的收敛动力学方程表明，在接近平衡的情况下，具有平均力势的Boltzmann方程是比Landau或Lenard-Balescu方程更好的选择，如纳维-斯托克斯方程所描述的。在我们全面的介绍中，我们强调Chapman-Enskog推导背后的物理论点，并保持数学尽可能简单。这排除了作为技术非必要方面的通过厄米多项式展开的线性化玻尔兹曼方程的解。我们讨论了与熵增加热力学第二原理的联系，以及从这一论述中可以学到什么。
2022-02-11 physics.flu-dyn physics.plasm-ph
An introductory guide to fluid models with anisotropic temperatures Part 2 -- Kinetic theory, Padé approximants and Landau fluid closures
在无碰撞流体模型指南的第2部分中，我们集中讨论朗道流体闭包。这些封闭是由哈米特和帕金斯开创的，并允许将无碰撞的朗道阻尼严格纳入流体框架。朗道阻尼是传统流体模型和无碰撞动力学理论的鲜明区别，也是通常流体模型不能收敛到动力学描述的主要原因，即使在长波低频极限下也是如此。我们首先简要介绍动力学理论，在那里我们详细讨论了等离子体色散函数$Z(ζ)$，和相关的等离子体响应函数$R(ζ)=1+ζZ(ζ)=-Z'(ζ)/2$。然后，我们考虑一个1D（静电）的几何形状，并作出重大努力，映射所有可能的朗道流体封闭，可以在四阶矩水平。这些封闭的平行时刻具有普遍的有效性，从最大的天体物理尺度下降到德拜长度，我们验证了它们的有效性，考虑的例子（质子和电子）朗道阻尼的离子声学模式，和电子朗道阻尼的朗缪尔模式。我们继续考虑高阶矩比四阶矩更高阶的一维闭包，正如第1部分所得出的结论，如果没有朗道流体闭包，这是不可能的。我们表明，它是可以重现线性朗道阻尼流体框架中的任何所需的精度，从而显示收敛的流体和无碰撞动力学的描述。然后，我们考虑一个3D（电磁）的几何结构中的gyrotropic（长波长低频率）的限制和地图的所有封闭，可在四阶矩水平。在附录A中，我们提供了$R(ζ)$直到8阶极点的Padé逼近的综合表，其中许多以解析形式给出。
2019-11-08 physics.plasm-ph
Electron Landau Damping of Kinetic Alfvén Waves in Simulated Magnetosheath Turbulence
湍流被认为在太阳风等离子体的加热中发挥了作用，尽管关于在日光层中驱动这一过程的机制的确切性质仍有许多问题有待解决。特别是，在湍流级联的动力学耗散范围内，粒子与湍流电磁场之间的无碰撞相互作用的物理学仍然没有完全理解。磁层多尺度（MMS）观测的间隔最近的分析使用场粒子相关技术来证明，电子朗道阻尼参与地球磁鞘中的湍流耗散。基于这一发现，我们进行了一个高分辨率的gyrokinetic数值模拟的湍流在MMS间隔调查的作用，电子朗道阻尼耗散的湍流能量。我们采用场粒子相关技术对我们的模拟数据，我们的结果进行比较，已知的速度空间签名的朗道阻尼耗散范围外，并评估净电子阻尼。我们发现定性的数值和观测结果之间的协议的一些关键方面的ESTA和推测的性质的分歧，根据实验因素，如分辨率的差异，和发展的见解的性质的场粒子相互作用的存在下，色散动力阿尔文波。
2020-09-10 physics.plasm-ph
Analysis of the Relaxation Process using Non-Relativistic Kinetic Equation
本文研究了Bhatnagar、Gross和Krook提出的弛豫模型（也称BGK模型）的线性化动力学方程，并求解了色散关系。利用色散关系的解，我们分析了宏观模和动力学模的弛豫。与Chapman-Enskog展开式不同，BGK模型不基于平均自由程展开，因此该解可以精确描述任意波长的初始扰动松弛。这种非相对论分析为我们下一步的弛豫相对论分析工作提供了建议。
2010-04-05 astro-ph.SR physics.flu-dyn physics.plasm-ph
Fluid energy cascade rate and kinetic damping: new insight from 3D Landau-fluid simulations
使用不可压缩霍尔磁流体动力学（HMHD）湍流的精确定律，从三维HMHD-CGL（双绝热离子和等温电子）和朗道流体（LF）的数值模拟，具有不同强度的朗道阻尼在很宽的波数范围内，通常$0.05\lesssim k_\perp d_i \lesssim100$计算的能量级联率。使用三套跨尺度模拟，其中湍流在大，中，小尺度启动，在不同尺度的流体能量级联的能力进行测试，以“感测”的动力朗道阻尼。级联率估计从精确的法律和直接从模拟计算的耗散显示，以反映朗道阻尼耗散能量在所有尺度上的作用，重点是动力学的。这一结果为在动力学模拟和航天器观测中使用简化流体模型的精确定律分析耗散提供了新的前景，并为无碰撞磁化等离子体的理论描述提供了新的见解。
2021-10-13 astro-ph.SR physics.plasm-ph physics.space-ph
Linear and Non-Linear Landau Resonance of Kinetic Alfvén Waves: Consequences for Electron Distribution and Wave Spectrum in the Solar Wind
研究了太阳风中的动力学Alfven波湍流，结果表明非麦克斯韦电子分布函数对太阳风等离子体动力学有重要影响。线性朗道阻尼导致平行电子分布函数中的平台的形成，其显著减小朗道阻尼率。波的非线性散射等离子体粒子被推广到短波长，它被发现，对于太阳风参数，这种散射是占主导地位的过程相比，三波衰减和合并的波矢量范围。合并这些影响导致陡峭的频谱之间的惯性和耗散范围的频谱指数在2和3之间。该区域可以被标记为散射范围。在太阳风等离子体中已经观察到这种陡峭化。
2010-08-05 astro-ph.SR physics.plasm-ph
Nonlinear Landau resonant interaction between kinetic Alfvén waves and thermal electrons: Excitation of time domain structures
相空间空穴、双电层和其他孤立电场结构，称为时域结构（TDS），经常出现在地球内磁层的偶极锋附近。它们被认为是重要的，因为它们的作用，在注射能量的耗散和显着的粒子散射和加速的潜力。动力学阿尔文波被观察到在高能粒子注入期间被激发，并且通常与TDS观测一起存在。尽管有大量的航天器观测，TDS的起源及其与动力阿尔文波的关系至今仍知之甚少。部分困难来自于动力阿尔文波和TDS之间的大尺度分离。在这里，我们证明了TDS可以激发电子在非线性朗道共振与动力学阿尔文波。这些电子被动力学阿尔文波的平行电场捕获，形成局部束分布，随后通过束不稳定性产生TDS。一个大的画面出现如下：宏观尺度的偶极化前沿首先将离子流（动能）能量转移到中等尺度的动能阿尔文波，阿尔文波进一步将能量引导到微观尺度的TDS，并最终以加热的形式将能量沉积到热电子。通过这种方式，与偶极锋相关的离子流能量在内磁层中以从大到小的级联方式有效地耗散。
2020-11-18 physics.plasm-ph physics.space-ph
Optimal Landau-type closure parameters for two-fluid simulations of plasma turbulence at kinetic scales
Ruhr University Bochum（波鸿鲁尔大学）
本文研究了在等离子体湍流动能尺度下，使用Landau型闭合参数的两流体模拟方法，证明其能有效重现完全动能模拟结果，为大规模模拟提供替代方案。
2025-09-10 physics.comp-ph physics.plasm-ph physics.space-ph
Bridging hybrid- and full-kinetic models with Landau-fluid electrons: I. 2D magnetic reconnection
磁重联（MR）在许多不同条件下的等离子体动力学中起着重要作用，从空间和天体物理环境到实验室设备。来自太空任务的高分辨率原位测量允许非常详细地研究自然发生的MR过程。除了直接测量，数值模拟在研究MR的基础物理学中起着关键作用。选择适当的等离子体模型用于数值模拟，同时也要兼顾计算成本，对于有效解决问题至关重要。我们考虑一个新的等离子体模型，包括一个精致的电子响应内的混合动力学框架（动力学离子，流体电子）。在何种程度上，这个新的模型可以重现全动力学描述的二维MR，特别是专注于其鲁棒性在非线性阶段，进行评估。我们进行2D模拟MR与中等引导场通过三种不同的等离子体模型：一个混合的弗拉索夫-麦克斯韦模型与各向同性，等温电子，一个混合的弗拉索夫-朗道流体（HVLF）模型的各向异性电子流体配备朗道流体封闭，和一个全动力学的。当相比，全动力学的情况下，HVLF模型有效地再现MR的主要功能，以及相关的电子微观物理和质子动力学的反馈的几个方面。这包括MR的全局演化和所谓的电子扩散区域内发生的局部物理，以及物种压力各向异性的演化。特别是，各向异性驱动的不稳定性（如消防水龙带，镜子，回旋不稳定性）在调节电子各向异性在MR的非线性阶段发挥了相关的作用。正如预期的那样，HVLF模型捕捉所有这些功能，除了电子回旋不稳定性。
2021-08-16 physics.plasm-ph physics.space-ph
Kinetic magnetohydrodynamics and Landau fluid closure in relativity
Princeton University（普林斯顿大学）；Institute for Advanced Study（高等研究院）
本文提出一种相对论框架下的弱碰撞等离子体模型，通过推导漂移动能方程，引入新的兰道流体闭合方法，以捕捉相对论等离子体的各向异性热流。
2026-11-09 astro-ph.HE gr-qc physics.plasm-ph
The relativistic kinetic dispersion relation: Comparison of the relativistic Bhatnagar-Gross-Krook model and Grad's 14-moment expansion
本文研究了Marle和Anderson-Witting模型的线性化动力学方程的Cauchy问题，并与14矩理论作了比较。首先，我们提出了一个修改的Marle模型，以提高所得的输运系数，符合由完整的玻尔兹曼方程。利用改进的Marle模型和Anderson-Witting模型，我们计算了在BGK近似的有效性范围内动力学正确的色散关系。与非因果的一阶Chapman-Enskog近似相比，包含耗散电流时间导数的14阶矩理论具有因果结构。然而，14矩理论的色散关系并不能准确地描述动力学方程的结果。因此，我们的计算表明，保持这些二阶项并不简单地对应于改善相对论流体力学的物理描述。
2010-06-14 astro-ph.HE nucl-th physics.flu-dyn
Relativistic non-resistive viscous magnetohydrodynamics from the kinetic theory:a relaxation time approach
在弛豫时间近似下，导出了相对论性无阻粘性二阶磁流体力学方程。利用单粒子分布函数的Chapman-Enskog类梯度展开，求解了粒子和反粒子质点系的Boltzmann方程。在第一阶中，输运系数与磁场无关。在二阶，新的输运系数，耦合磁场和耗散量出现这是不同的14矩近似\cite{Denicol:2018rbw}中得到的磁场的存在下。然而，在弱磁场的限制下，这些方程的形式与14矩近似相同，只是这些系数的值不同。我们还推导了Navier-Stokes极限下的各向异性输运系数。
2020-11-03 hep-ph nucl-th physics.flu-dyn
Data-driven, multi-moment fluid modeling of Landau damping
Fudan University（复旦大学）；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）
当系统中存在某些未知项和隐藏的物理机制时，基于第一性原理推导复杂物理系统的控制方程是相当具有挑战性的。在这项工作中，我们应用深度学习架构来学习基于从完全动力学模型获得的数据的等离子体系统的流体偏微分方程（PDE）。学习的多力矩流体偏微分方程被证明将动力学效应，如朗道阻尼。基于学习的流体封闭性，数据驱动的多矩流体建模可以很好地再现从完全动力学模型导出的所有物理量。计算得到的Landau阻尼率与全动力学模拟和线性理论计算结果一致。数据驱动的复杂物理系统的偏微分方程流体建模可以应用于提高流体封闭性和降低全球系统多尺度建模的计算成本。
2022-09-10 astro-ph.IM cs.LG physics.plasm-ph
Statistical mechanics of Landau damping
朗道阻尼是Vlasov方程的解趋向于空间均匀分布函数的趋势。然而，分布函数仅弱地接近空间齐次流形，并且玻尔兹曼熵不被Vlasov方程改变。另一方面，密度和动能密度，这是分布函数的积分，接近空间均匀状态强烈，这是伴随着流体动力学熵的增长。当Vlasov方程通过Escherichfest约化化为密度和动能密度的演化方程时，可以看到这种行为。
2017-11-27 cond-mat.stat-mech math.AP physics.flu-dyn
