INSPIRE: Adaptive Multi-Scale Modeling of Plasmas

INSPIRE:等离子体的自适应多尺度建模

基本信息

项目摘要

This INSPIRE project is jointly funded by the Plasma Physics and Computational Physics programs in the Physics Division in the Mathematical and Physical Sciences Directorate, the Magnetospheric Physics program in the Atmospheric and Geospace Sciences Division in the Directorate for Geosciences, and the Office of Integrative Activities. Ionized gas, or in scientific terms plasma, is the most common state of matter in the Universe. In the solar system, for example, the solar corona where solar eruptions occur, the solar wind that carries the erupted plasma and magnetic field from the Sun to the Earth, the magnetosphere surrounding the Earth and protecting us from the harmful effects of the eruption, and the ionosphere through which radio communications and GPS signals propagate and get disturbed, all consist of plasma. Understanding plasma is crucial for predicting and mitigating the effects of space weather. Plasmas also play an important role in engineering, for example in the design of fusion type reactors that promise to provide an inexhaustible source of clean energy for humanity. Computational modeling of plasma dynamics is very challenging due to the different spatial and temporal scales and the complex behavior of the system. The project is aimed at improving the efficiency of present plasma simulation models by a factor of 1000 or even more. If successful, the new model will provide accurate and affordable simulations for systems that currently cannot be modeled even on the largest supercomputers.There are different approaches for plasma modeling that all have advantages and drawbacks. The most accurate kinetic methods describe all the important effects of plasma by describing the full distribution function in a six dimensional phase space, but they have tremendous computational cost. Even on today's supercomputers, modeling a large three-dimensional system with kinetic methods is far out of reach. Alternative fluid-type methods describe the plasma distribution function with a handful of moments, such as density, velocity and pressure. Solving for these quantities in addition to the magnetic field can be done quite efficiently, and in fact one can model the solar corona, the solar wind, and the magnetosphere with global fluid models with reasonable computational resources. Unfortunately, in most systems there are some parts of the domain where the fluid description is not sufficient, and this can have consequences for the global solution. The project aims at combining the kinetic and fluid type methods in an adaptive and dynamic fashion. The expensive kinetic model will be restricted to the small parts of the domain where the fluid description is not accurate enough, while the efficient fluid methods will be employed in the vast majority of the domain. This hybrid approach promises to provide accurate solutions at a tiny fraction of the cost of the fully kinetic models. A speed up of factor of 1000 or even more is expected. This will allow modeling global plasma systems with unprecedented accuracy and vastly improve our understanding and predictive capabilities.
该INSPIRE项目由数学和物理科学局物理处等离子体物理和计算物理项目、地球科学局大气和地球空间科学处磁层物理项目以及综合活动办公室共同资助。 电离气体,或者科学术语等离子体,是宇宙中最常见的物质状态。例如,在太阳系中,发生太阳喷发的日冕,将喷发的等离子体和磁场从太阳带到地球的太阳风,围绕地球并保护我们免受喷发有害影响的磁层,无线电通信和 GPS 信号传播并受到干扰的电离层都是由等离子体组成的。了解等离子体对于预测和减轻太空天气的影响至关重要。等离子体在工程中也发挥着重要作用,例如在聚变反应堆的设计中,该反应堆有望为人类提供取之不尽的清洁能源。由于不同的空间和时间尺度以及系统的复杂行为,等离子体动力学的计算建模非常具有挑战性。该项目旨在将现有等离子体模拟模型的效率提高 1000 倍甚至更多。如果成功,新模型将为目前即使在最大的超级计算机上也无法建模的系统提供准确且经济实惠的模拟。等离子体建模有多种不同的方法,每种方法都有优点和缺点。最精确的动力学方法通过描述六维相空间中的完整分布函数来描述等离子体的所有重要效应,但它们具有巨大的计算成本。即使在今天的超级计算机上,用动力学方法对大型三维系统进行建模也是遥不可及的。替代的流体类型方法用一些矩来描述等离子体分布函数,例如密度、速度和压力。除了磁场之外,求解这些量也可以非常有效地完成,事实上,我们可以使用具有合理计算资源的全球流体模型来模拟日冕、太阳风和磁层。不幸的是,在大多数系统中,域的某些部分的流体描述不充分,这可能会对全局解决方案产生影响。该项目旨在以自适应和动态的方式将动力学和流体类型方法结合起来。昂贵的动力学模型将仅限于流体描述不够准确的小部分领域,而有效的流体方法将在绝大多数领域中采用。这种混合方法有望以全动力学模型成本的一小部分提供准确的解决方案。预计速度将提高 1000 倍甚至更多。这将以前所未有的精度对全球等离子体系统进行建模,并极大地提高我们的理解和预测能力。

项目成果

期刊论文数量(5)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A six-moment multi-fluid plasma model
六时刻多流体等离子体模型
  • DOI:
    10.1016/j.jcp.2019.02.023
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
  • 影响因子:
    4.1
  • 作者:
    Huang, Zhenguang;Tóth, Gábor;van der Holst, Bart;Chen, Yuxi;Gombosi, Tamas
  • 通讯作者:
    Gombosi, Tamas
Gauss's Law satisfying Energy-Conserving Semi-Implicit Particle-in-Cell method
  • DOI:
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  • 发表时间:
    2018-08
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Yuxi Chen;G. Tóth
  • 通讯作者:
    Yuxi Chen;G. Tóth
Scaling the Ion Inertial Length and Its Implications for Modeling Reconnection in Global Simulations: SCALING THE ION INERTIAL LENGTH
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  • DOI:
    10.1002/2017ja024189
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Tóth, Gábor;Chen, Yuxi;Gombosi, Tamas I.;Cassak, Paul;Markidis, Stefano;Peng, Ivy Bo
  • 通讯作者:
    Peng, Ivy Bo
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  • 期刊:
  • 影响因子:
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    Gabor Toth;Yasuko Ozaki,Masahide Saito
  • 通讯作者:
    Yasuko Ozaki,Masahide Saito
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2014
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    0
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    尾崎康子,小林真,阿部美穂子,芝田征司,齋藤正典
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2012
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    0
  • 作者:
    Masahide Saito;Yasuko Ozaki;Gabor Toth;松原(田丸) 豊;尾崎康子・トート・ガーボル・齋藤雅英;小林芳文・藤村元邦・飯村敦子;松原 豊(田丸 豊);齋藤雅英・尾崎康子・トート・ガーボル;田丸(松原) 豊;トート・ガーボル・尾崎康子・齋藤雅英;伊藤英一;尾崎康子・齋藤雅英・Toth Gabor
  • 通讯作者:
    尾崎康子・齋藤雅英・Toth Gabor
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  • DOI:
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Masahide Saito;Yasuko Ozaki;Gabor Toth;松原(田丸) 豊;尾崎康子・トート・ガーボル・齋藤雅英;小林芳文・藤村元邦・飯村敦子;松原 豊(田丸 豊);齋藤雅英・尾崎康子・トート・ガーボル;田丸(松原) 豊;トート・ガーボル・尾崎康子・齋藤雅英;伊藤英一;尾崎康子・齋藤雅英・Toth Gabor;松原 豊(田丸 豊)・川間 健之介・村上潤・金子 啓子・加藤 貴子;齋藤雅英・尾崎康子・Toth Gabor;松原 豊(田丸 豊)・川間 健之介・村上潤・青木 菜摘;Toth Gabor・齋藤雅英・河尾豊司・尾崎康子
  • 通讯作者:
    Toth Gabor・齋藤雅英・河尾豊司・尾崎康子
Joule Heating rate at high-latitudes by Swarm and ground-based observations compared to MHD simulations
与 MHD 模拟相比,Swarm 和地面观测在高纬度地区的焦耳加热率
  • DOI:
  • 发表时间:
    2024
  • 期刊:
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Kirsti Kauristie;O. Marghitu;Max Van De Kamp;Theresa Hoppe;Ilja Honkonen;A. Blagau;Ionuț Mădălin Ivan;Mihail Codrescu;Aaron Ridley;Gabor Toth;Yasunobu Ogawa;Lorenzo Trenchi
  • 通讯作者:
    Lorenzo Trenchi

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