Particle-in-Cell (PIC) simulations rely on accurate solutions of the electrostatic Poisson equation, yet accuracy often deteriorates near irregular Dirichlet boundaries on Cartesian meshes. While much research has addressed discretization errors on the left-hand side (LHS) of the Poisson equation, the impact of right-hand-side (RHS) inaccuracies - arising from charge density sampling near boundaries in PIC methods - remains largely unexplored. This study analyzes the numerical errors induced by underestimated RHS values at near-boundary nodes when solving the Poisson equation using embedded boundary finite difference schemes with linear and quadratic treatments. Analytical derivations in one dimension and truncation error analyses in two dimensions reveal that such RHS inaccuracies modify local truncation behavior differently: they reduce the dominant truncation error in the linear scheme but introduce a zeroth-order term in the quadratic scheme, leading to larger global errors. Numerical experiments in one-, two-, and three-dimensional domains confirm these findings. Contrary to expectations, the linear scheme yields superior overall accuracy under typical PIC-induced RHS inaccuracies. A simple RHS calibration strategy is further proposed to restore the accuracy of the quadratic scheme. These results offer new insight into the interplay between boundary-induced RHS errors and discretization accuracy in Poisson-type problems.


翻译:粒子网格(PIC)模拟依赖于静电泊松方程的精确求解,但在笛卡尔网格上靠近不规则狄利克雷边界处精度常会下降。尽管已有大量研究关注泊松方程左侧(LHS)的离散化误差,但由PIC方法中边界附近电荷密度采样引起的右侧(RHS)不精确性的影响仍鲜有探讨。本研究分析了在使用线性和二次处理的嵌入式边界有限差分格式求解泊松方程时,近边界节点处RHS值被低估所引发的数值误差。一维解析推导与二维截断误差分析表明,此类RHS不精确性会以不同方式改变局部截断行为:在线性格式中其降低了主导截断误差,而在二次格式中则引入了零阶项,从而导致更大的全局误差。在一维、二维及三维计算域中的数值实验验证了这些结论。与预期相反,在典型的PIC诱导RHS不精确性条件下,线性格式反而展现出更优的整体精度。本文进一步提出一种简单的RHS校准策略以恢复二次格式的精度。这些结果为泊松类问题中边界诱导的RHS误差与离散精度之间的相互作用提供了新的见解。

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