相對論性保結(jié)構(gòu)粒子算法在等離子體多尺度過程中的應(yīng)用.pdf

1、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(fù)雜物理系統(tǒng)，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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)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(jì)算能力和全局累積的數(shù)值誤差。當(dāng)今世界最快計(jì)算機(jī)的峰值計(jì)算能力已達(dá)到了120PFlops，在可預(yù)見的未來內(nèi)，人類社會(huì)的計(jì)算能力必然會(huì)繼續(xù)提高，這為等離子體大規(guī)模多尺度數(shù)值研究的發(fā)展提供了希望。然而，如何高效、合理

2、地運(yùn)用未來巨大的計(jì)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(jié)果，仍然是重要的研究課題。保結(jié)構(gòu)算法基于嚴(yán)格的數(shù)學(xué)理論，通過保持物理系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)而獲得長時(shí)間的穩(wěn)定性，這對于多尺度、大規(guī)模計(jì)算的保真性有重要意義。本文圍繞相對論性等離子體系統(tǒng)的保結(jié)構(gòu)粒子算法展開，詳述幾類相對論性保結(jié)構(gòu)粒子算法的構(gòu)造與理論研究，介紹保結(jié)構(gòu)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(yīng)用中得到的物理結(jié)果，并簡介開放性保結(jié)構(gòu)粒子算法軟件平臺(tái)開發(fā)方

3、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(tǒng)，利用分裂法構(gòu)造了相對論保體積算法;提出并研究了離散系統(tǒng)的洛倫茲協(xié)變性，總結(jié)了一種構(gòu)造協(xié)變辛算法的一般性步驟，基于此構(gòu)造了顯式協(xié)變正則辛算法，通過與非協(xié)變、非保結(jié)構(gòu)算法的對比，展示了協(xié)變辛算法在保證長期數(shù)值穩(wěn)定性以及數(shù)值結(jié)果坐標(biāo)獨(dú)立性方面的優(yōu)勢，另外，協(xié)變辛算法的內(nèi)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(shù)值效率和精確度;基于帶電粒子協(xié)變哈密頓量，利用生成函數(shù)

4、法和分裂法，構(gòu)造了適用于含時(shí)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(tǒng)，本文基于正則辛Particle-in-Cell(PIC)算法理論，構(gòu)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(yùn)行具有關(guān)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(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了大規(guī)模數(shù)值研究，證明了回旋中心理論假設(shè)在

5、逃逸電子過程的失效，并發(fā)現(xiàn)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(yīng)，這一效應(yīng)導(dǎo)致了逃逸電子磁矩守恒的破壞和不同于回旋中心理論結(jié)果的能量極限規(guī)律。對于逃逸電子不同時(shí)間尺度的物理過程，本文給出了精細(xì)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(shù)對逃逸電子長期動(dòng)量演化結(jié)構(gòu)、能量積分效應(yīng)、能量平衡時(shí)間以及無碰撞投擲角散射的影響。針對ITER裝置參數(shù)，本文應(yīng)用神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算對存在磁波紋擾動(dòng)的逃逸電子物理過程進(jìn)行了

6、107采樣點(diǎn)、1011時(shí)間步的大規(guī)模統(tǒng)計(jì)模擬研究，發(fā)現(xiàn)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(jìn)保結(jié)構(gòu)粒子算法的發(fā)展與大規(guī)模應(yīng)用，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了具有模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和可擴(kuò)展性的保結(jié)構(gòu)算法軟件平臺(tái)——“AccurateParticleTracor(APT)”。APT支持標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用。同時(shí)，APT作為軟件平臺(tái)，其可擴(kuò)展腳本系統(tǒng)可以