The study of uncertainty propagation is of fundamental importance in plasma physics simulations. To this end, in the present work we propose a novel stochastic Galerkin (sG) particle {method} for collisional kinetic models of plasmas under the effect of uncertainties. This class of methods is based on a generalized polynomial chaos (gPC) expansion of the particles' position and velocity. In details, we introduce a stochastic particle approximation for the Vlasov-Poisson system with a BGK term describing plasma collisions. A careful reformulation of such dynamics is needed to perform the sG projection and to obtain the corresponding system for the gPC coefficients. We show that the sG particle method preserves the main physical properties of the problem, such as conservations and positivity of the solution, while achieving spectral accuracy for smooth solutions in the random space. Furthermore, in the fluid limit the sG particle solver is designed to possess the asymptotic-preserving property necessary to obtain a sG particle scheme for the limiting Euler-Poisson system, thus avoiding the loss of hyperbolicity typical of conventional sG methods based on finite differences or finite volumes. We tested the schemes considering the classical Landau damping problem in the presence of both small and large initial uncertain perturbations, the two stream instability and the Sod shock tube problems under uncertainties. The results show that the proposed method is able to capture the correct behavior of the system in all test cases, even when the relaxation time scale is very small.


翻译:在等离子物理模拟中,不确定性传播的研究具有根本重要性。为此,在目前的工作中,我们提议对等离子体的碰撞动动模型在不确定性的影响下,为等离子体的碰撞动动模型提供新型的SG(sG)粒子粒子 {method}。这一类方法的基础是粒子位置和速度的普遍多位混杂(gPC)扩展。在细节上,我们为Vlasov-Poisson系统引入了随机粒子近似近似,并用BGK术语描述等离子碰撞。需要仔细重新配置这种动态,以进行 SG 投影,并获得相应的gPC系数系统。我们表明,SG粒子方法保留了问题的主要物理特性,例如,保存和假设解决方案的假设性,同时在随机空间中实现光谱的顺利解决方案。此外,SG粒子溶液溶液溶液溶液溶液溶液溶液旨在拥有为限制 Eul-Poisson系统所必需的微粒子系统所需的微缩保存特性。因此,甚至为避免典型的梯状变变变的系统,从而避免典型的系统在典型的不稳定性试验中出现,我们测测定的系统下测测测测测测测测测测测测测度的系统下,因此测测测测测定的系统下了常规定的系统下了稳定度的精确度的精确度的精确度的系统。

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