数値計算による中性粒子枯渇現象の密度限界・密度振動への影響の解明

通过数值计算阐明中性粒子耗尽现象对密度极限和密度振荡的影响

基本信息

  • 批准号:
    22K14020
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 3万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    日本
  • 项目类别:
    Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
  • 财政年份:
    2022
  • 资助国家:
    日本
  • 起止时间:
    2022-04-01 至 2025-03-31
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

中性粒子枯渇現象の基本的な特性を理解するため、空間2次元の数値計算モデルの構築と数値計算コードの高速化を行うことを本年度の目標とした。本流体コードは電子流体について、電子慣性を無視(ドリフト近似)した運動方程式、電子のエネルギー方程式、ポアソン方程式をセルフコンシステントに取り入れている。そのため陽解法の場合、時間ステップはプラズマ周波数と衝突周波数の比で決まる誘電緩和時間(電子の運動が電場をスクリーニングする特徴的なタイムスケール)よりも小さくとる必要がある。特に10^19 m^-3の密度を超えるヘリコンプラズマ生成の数値計算では、誘電緩和時間が光速で決まるCFL条件よりも十分に小さくなる。これまでの先行研究では、電子とイオンの両方の運動方程式をドリフト近似する手法やポアソン方程式を半解法で解く方法が提案されている。しかしながら、中性粒子の運動はイオンの運動によって決まるため、我々の問題の場合には、イオンの慣性項を無視するドリフト近似は適当でない。また、今回我々はポアソン方程式を半解法で解く方法を試したが、密度が10^19 m^-3程度になると数値不安定を引き起こす結果となった。したがって、現状本モデルでは、電子流体については完全な陰解法を用いており、これまでにMPI並列(30cpu数を使用)により約12倍の高速化を実現している。ヘリコン放電が定常状態(~100 μs)になるまでの所要時間はおおよそ30日間である。現在は本モデルを用いて中性粒子枯渇現象の解析を進めている。また、今後の機械学習とGPUを活用したコードの高速化を念頭において、ニューラルネットワークにより流体計算を行う手法も確立した。次年度については、中性粒子枯渇現象の解析を引き続き進め、更なるコードの高速化を図る。
为了了解中性粒子耗尽现象的基本特征,我们今年的目标是构建空间二维数值计算模型并加速数值计算代码。该流体代码自洽地结合了电子流体的运动方程,忽略电子惯性(漂移近似)、电子能量方程和泊松方程。因此,在显式方法的情况下,时间步长必须小于介电弛豫时间(电子运动屏蔽电场的特征时间尺度),介电弛豫时间由等离子体频率与碰撞频率的比率确定。特别是在密度超过10^19 m^-3的螺旋等离子体产生的数值计算中,介电弛豫时间远小于由光速决定的CFL条件。先前的研究提出了一种近似电子和离子运动方程的漂移方法,以及一种使用半解法求解泊松方程的方法。然而,由于中性粒子的运动是由离子的运动决定的,忽略离子惯性项的漂移近似不适用于我们的问题。另外,这次我们尝试了使用半解法求解泊松方程的方法,但这导致当密度达到约 10^19 m^-3 时数值不稳定。因此,在当前模型中,我们对电子流体使用完全隐式方法,到目前为止,我们已经通过 MPI 并行化(使用 30 个 CPU)实现了大约 12 倍的加速。螺旋放电大约需要 30 天才能达到稳定状态(~100 μs)。我们目前正在使用这个模型来分析中性粒子损耗现象。我们还建立了一种使用神经网络执行流体计算的方法,同时考虑到未来使用机器学习和 GPU 进行代码加速。明年,我们将继续分析中性粒子耗尽现象,旨在进一步加快代码速度。

项目成果

期刊论文数量(2)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
The mechanism of the helicon plasma production from low-density to high-density regime
螺旋等离子体从低密度到高密度状态的产生机制
  • DOI:
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Yohsuke T Fukai;Kyogo Kawaguchi;Yohsuke T. Fukai;諌山翔伍;諌山翔伍
  • 通讯作者:
    諌山翔伍
Dynamic profile formation of neutral depletion in helicon plasma
螺旋等离子体中性耗尽的动态剖面形成
  • DOI:
  • 发表时间:
    2023
  • 期刊:
  • 影响因子:
    0
  • 作者:
    Yohsuke T Fukai;Kyogo Kawaguchi;Yohsuke T. Fukai;諌山翔伍
  • 通讯作者:
    諌山翔伍
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  • 发表时间:
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  • 通讯作者:
    小林憲正

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