We explore the possibilities of applying structure-preserving numerical methods to a plasma hybrid model with kinetic ions and mass-less fluid electrons satisfying the quasi-neutrality relation. The numerical schemes are derived by finite element methods in the framework of finite element exterior calculus (FEEC) for field variables, particle-in-cell (PIC) methods for the Vlasov equation, and splitting methods in time based on an anti-symmetric bracket proposed. Conservation properties of energy, quasi-neutrality relation, positivity of density, and divergence-free property of the magnetic field are given irrespective of the used resolution and metric. Local quasi-interpolation is used for dealing with the current terms in order to make the proposed methods more efficient. The implementation has been done in the framework of the Python package STRUPHY [1], and has been verified by extensive numerical experiments.


翻译:我们探讨了将结构保持的数值方法应用于一个具有动力离子和满足准中性关系的无质量流体电子的等离子体混合模型的可能性。该数值方案通过有限元方法在有限元外微积分(FEEC)框架下推导出场变量,通过PIC方法处理Vlasov方程,以及基于反对称括号的时间分裂方法进行时间分裂。能量、准中性关系、密度的正性以及磁场的无散性等保守性质是不受使用的分辨率和度量的,并且使用本地准插值来处理电流项,以使所提出的方法更高效。此外,该方法已实现在Python软件包STRU[1]中,并通过了大量的数值实验验证。

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