Curs Intensiv despre: Metode numerice pentru procese cinetice în fizica plasmei

de
Simulări numerice de particule-în-celulă pentru un jet relativist alcătuit din plasmă compusă din electroni și protoni. Credit: Nishikawa et al., Galaxies, 5(4), 58, 2017.

Instructor: Dr. Ken-Ichi Nishikawa, Universitatea din Alabama, Huntsville, SUA

Când: 21-25 mai 2018. Orele de curs:

Lu: 2pm-4pm;
 Ma: 10am-12am and 2pm-4pm; Mie: 2pm-4pm;
 Joi: 10am-12am and 2pm-4pm; Vin: 10am-12am

Unde: ISS, Auditorium

Abstract:

Acest curs îsi propune să furnizeze studenților/cercetătorilor concepte de bază privind simulările computaționale folosind un cod numeric de tipul particule-în-celulă (PIC), pentru a putea înțelege procesele cinetice (la nivel microscopic) în plasma. Metoda PIC este, principial, corectă și poate explica o plajă largă de efecte în plasmă. În zilele noastre, puterea clusterelor de calculatoare este suficient de mare pentru a efectua simulări rezonabile tridimensionale (3D) pentru dinamica plasmei. Cursul va acoperi conceptele fundamentale folosite în simulări utilizând coduri 3D electromagnetice pentru aplicații la jeturile relativiste. Plecând de la o scurtă prezentare a fizicii plasmei, matematica si fizica din spatele algoritmilor folosiți în codurile numerice vor fi prezentate. Vom explora modul în care simulările PIC descriu comportarea plasmei în regim neliniar. Câteva exemple privind modul în care se execută codurile PIC vor fi prezentate.

Cuprins:

  1. Fizica plasmei pe calculator (descriere generală)
  2. Simulari cinetice a plasmei (instabilități nefizice, aproximări în analiza neliniară, 
comportarea plasmei, weighting liniar, efecte nefizice)
  3. Cum functionează metoda PIC (dispersie n plasma rece, funcția de dispersie a plasmei)
  4. Coduri electrostatice (cantităti în grid, încălzirea prin impulsuri)
  5. Coduri electromagnetice (oscilații hibride, plasma caldă și nemagnetizată)
  6. Metoda de diferente finite Maxwell într-un grid Yee: algoritmul leapfrog
  7. Deplasarea particulelor în grid: algoritmul lui Boris
  8. Metoda de depozitare a particulelor în grid și conservarea sarcinii
  9. Condiții la limită (pentru particule și câmpuri)
  10. Simulări pentru plasma din astrofizică
  11. Rezultate recente: (1) Instabilitatea Weibel în jeturi relativiste și (2) Reconexiune magnetică

Referință: “Plasma Physics via Computer Simulation (Series in Plasma Physics)”, C.K. Birdsall & A.B. Langdon; Programele din carte sunt scrise în Fortran

Cunostințe necesare: Fizica elementară (nivel de licență)

Înscriere: Pentru a participa la curs, vă rugam să trimiteți un email adresat Dr. Ioana Dutan <idutan[at]spacescience.ro>, menționând numele dumneavoastră, statutul (e.g., student, cercetator) și afilierea, nu mai târziu de 15 mai 2018.

Lista participanti

 

Galerie foto:

Intensive Course about: Computational Methods for Kinetic Processes in Plasma Physics

de
Particle-in-cell numerical simulations for an electron-proton plasma jet with a larger radius. Credit: Nishikawa et al., Galaxies, 5(4), 58, 2017.

Instructor: Dr. Ken-Ichi Nishikawa, University of Alabama, Huntsville, SUA

When: 21-25 May 2018. Course hours:

Mo: 2pm-4pm;
 Tu: 10am-12am and 2pm-4pm; Wed: 2pm-4pm;
 Thu: 10am-12am and 2pm-4pm; Fri: 10am-12am

Where: ISS, Auditorium

Abstract:

This course is intended to provide students/researchers with basic concepts of computer simulations using a particle-in-cell (PIC) numerical code in order to understand kinetic processes in plasmas. PIC simulation is, in principle, an accurate method and provides the widest range of plasma effects. Nowadays, the computer power is powerful enough to perform reasonable 3-dimensional (3D) simulations to investigate realistic plasma dynamics. The course will cover the fundamental concepts of plasma simulation by performing small 3D electromagnetic codes with applications to relativistic jets. Starting with a brief introduction to plasma physics, the mathematics and physics behind the algorithms will be described. We will explore how PIC simulations reveal plasma behaviors as they are highly nonlinear phenomena. Some examples of how to run the PIC simulations will be also given.

Overview:

  1. Plasma physics on computer (general description)
  2. Kinetic plasma simulations (nonphysical instability, approximate nonlinear analysis, plasma behavior, linear weighting, nonphysical effects)
  3. How PIC works (cold plasma dispersion, plasma dispersion function)
  4. Electrostatic codes (grid quantities, beat heating)
  5. Electromagnetic codes (hybrid oscillation, warm and unmagnetized plasmas)
  6. Finite-difference time-domain Maxwell solver on Yee grid: leapfrog algorithm
  7. Particle movers: Boris’s algorithm
  8. Conservative charge deposition method
  9. Boundary conditions (particles and fields)
  10. Simulations for astrophysical plasmas
  11. Recent work: (1) Weibel instability in relativistic jets (radiation, weighted beam) and (2) Reconnection (particle acceleration)

Reference: “Plasma Physics via Computer Simulation (Series in Plasma Physics)”, C.K. Birdsall & A.B. Langdon; Programs in the text book are written in Fortran.

Prerequisites: Elementary physics (Bachelor level)

Registration: Subscription for attending the course should be sent to Dr. Ioana Dutan <idutan[at]spacescience[dot]ro>, with your name, status (e.g., student, researcher) and affiliation, no later than May 15th 2018.

The event can be followed live on the ISS Facebook and YouTube channels.

List of participants

Photo Gallery: