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 methods 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,对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,我们提出一种新型的随机Galerkin(sG)粒子方法,用于在不确定因素的影响下对等离子进行碰撞动动模型。这一类方法的基础是粒子位置和速度的普遍多元混杂(gPC)扩大。细节上,我们为Vlasov-Poisson系统引入一个随机粒子近似近似值,并使用BGK术语描述等离子碰撞。需要仔细重订这种动态,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,例如该解决方案的保存和假设性,同时为随机空间的平滑动解决方案实现光谱精确度。此外,在流中,SG粒子溶液溶解解的特性是为了获得限制 Euler-Poisson系统所需的SG粒子方案,从而避免高压偏移-Poisson系统的丧失,从而避免G-cloal-cal-liental rolectionalalalalal ystemal roma role laft sal pal pal pal pal pal presm presm presm presm presmlemlemal rolations rol rog romam presm presm pal rogismism presm presmmmmismmmmal roma roma robismal robismmmal robal roismismismal roismal ro) romal 和 两种 两种方法在 方法下, 方法下,在常规稳定地测测测测定法下, 方法下, 方法下, 方法下, 方法下,在测测测测测测测测测定地平平平平地方法下测测定地方法下测测测测测测定地方法下, 方法下, 方法下,这是 方法下, 和测地方法下, 和测地平地平地定地平地平地方法下测地方法下测地方法下测地差

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