【摘要】：等離子體是由大量帶電粒子與電磁場相互耦合而形成的復雜物理系統,而等離子體的非線性、多尺度過程一般很難從理論上全面分析。隨著近幾十年計算機技術的發(fā)展,數值模擬已成為重要的物理研究工具,但是,對于多尺度物理過程的模擬仍然受限于有限的計算能力和全局累積的數值誤差。當今世界最快計算機的峰值計算能力已達到了 120PFlops,在可預見的未來內,人類社會的計算能力必然會繼續(xù)提高,這為等離子體大規(guī)模多尺度數值研究的發(fā)展提供了希望。然而,如何高效、合理地運用未來巨大的計算能力,并通過限制全局誤差而獲得正確可信的長期模擬結果,仍然是重要的研究課題。保結構算法基于嚴格的數學理論,通過保持物理系統的幾何結構而獲得長時間的穩(wěn)定性,這對于多尺度、大規(guī)模計算的保真性有重要意義。本文圍繞相對論性等離子體系統的保結構粒子算法展開,詳述幾類相對論性保結構粒子算法的構造與理論研究,介紹保結構算法在典型相對論多尺度物理過程(逃逸電子物理)大規(guī)模應用中得到的物理結果,并簡介開放性保結構粒子算法軟件平臺開發(fā)方面的工作。算法研究方面,本文針對帶電粒子相對論洛倫茲力系統,利用分裂法構造了相對論保體積算法;提出并研究了離散系統的洛倫茲協變性,總結了一種構造協變辛算法的一般性步驟,基于此構造了顯式協變正則辛算法,通過與非協變、非保結構算法的對比,展示了協變辛算法在保證長期數值穩(wěn)定性以及數值結果坐標獨立性方面的優(yōu)勢,另外,協變辛算法的內稟能量變步長屬性有利于提高模擬粒子能量變化過程的數值效率和精確度;基于帶電粒子協變哈密頓量,利用生成函數法和分裂法,構造了適用于含時相對論粒子模擬的顯式高階辛算法;針對相對論性弗拉索夫-麥克斯韋系統,本文基于正則辛Particle-in-Cell(PIC)算法理論,構造了適用于高能量等離子體模擬的相對論性正則辛PIC算法。作為一種典型的相對論多尺度等離子體物理過程,托卡馬克中的逃逸電子物理對于未來聚變堆的安全運行具有關鍵的意義。本文利用保體積算法對高能逃逸電子多尺度全軌道動力學行為進行了大規(guī)模數值研究,證明了回旋中心理論假設在逃逸電子過程的失效,并發(fā)現了一種劇烈的、源于托卡馬克磁場環(huán)幾何的無碰撞投擲角散射效應,這一效應導致了逃逸電子磁矩守恒的破壞和不同于回旋中心理論結果的能量極限規(guī)律。對于逃逸電子不同時間尺度的物理過程,本文給出了精細的物理圖像,研究了初始相空間采樣和托卡馬克裝置主要參數對逃逸電子長期動量演化結構、能量積分效應、能量平衡時間以及無碰撞投擲角散射的影響。針對ITER裝置參數,本文應用神威·太湖之光超級計算對存在磁波紋擾動的逃逸電子物理過程進行了 107采樣點、1011時間步的大規(guī)模統計模擬研究,發(fā)現磁波紋場對于約束逃逸電子束流和降低能量極限有明顯的作用。為促進保結構粒子算法的發(fā)展與大規(guī)模應用,本文設計并實現了具有模塊化、標準化和可擴展性的保結構算法軟件平臺——"Accurate Particle Tracor(APT)"。APT支持標準化I/O和多種并行方式,集成多種帶電粒子幾何算法,并已在神威太湖之光集群得到大規(guī)模應用。同時,APT作為軟件平臺,其可擴展腳本系統可以方便對源程序進行算法、物理模組等的擴展,方便整合不同領域的研究成果。
[Abstract]:In this paper , the author presents and studies the structure and theoretical research of relativistic electron - preserving particle algorithm . In order to promote the development and the large - scale application of the structure - preserving particle algorithm , this paper designs and implements the structure - preserving algorithm software platform _ " swarm particle Tracor ( APT ) " with the modularization , standardization and scalability . The APT supports the standardized I / O and many parallel modes , integrates a variety of charged particle geometry algorithms , and has been widely used in the light cluster of the Shenwei Taihu Lake . At the same time , APT is used as a software platform , and its extensible script system can facilitate the expansion of the source program and the physical module , and facilitate the integration of the research results in different fields .
【學位授予單位】：中國科學技術大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：O53

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本文編號：2121024