Модификация параллельного алгоритма для численного моделирования открытой магнитной ловушки

Работа посвящена численному моделированию динамики плазмы в диамагнитном режиме в открытой магнитной ловушке. Используемая гибридная модель основана на кинетическом описании ионной компоненты и магнитно-гидродинамическом описании электронной компоненты плазмы. Недостатком модели является условная устойчивость и соответствующие требования к временному шагу. На практике измельчение сетки в два раза требует уменьшения временного шага в 6 раз. Для характерных времен плазменных процессов порядка 102 обратных ионных циклотронных частот вычислений на сетке 100 × 500 требует несколько дней. При этом более 85 % времени работы программы занимают процедуры обработки частиц, поэтому их эффективная реализация играет ключевую роль в сокращении времени расчетов. В предлагаемом вниманию алгоритме мы сочетаем динамическую загрузку балансировки и векторизацию вычислений расчета плотности электронов и плотности токов. Представлены результаты численных экспериментов с учетом существенно неравномерного распределения частиц в области и увеличивающегося их числа за счет постоянной инжекции.

метод частиц-в-ячейках, параллельные алгоритмы, векторизация, численное моделирование, физика плазмы, диамагнитный режим

1. Beklemishev A. D. Diamagnetic “bubble” equilibria in linear traps. Physics of Plasmas, 2016, vol. 23, p. 082506.

2. Ivanov A. A., Prikhodko V. V. Gas dynamic trap: experimental results and future prospects. UFN, 2017, vol. 187, no. 5, p. 547-574.

3. Bagryansky P. A., Akhmetov T. D., Chernoshtanov I. S., Deichuli P. P., Ivanov A. A., Lizunov A. A., Maximov V. V., Mishagin V. V., Murakhtin S. V., Pinzhenin E. I., Prikhodko V. V., Sorokin A. V., Oreshonok V. V. Status of the experiment on magnetic fieldreversal at BINP. AIP Conference Proceedings, 2016, vol. 1771, p. 030015.

4. Caprioli D., Pop A.-R., Spitkovsky A. Simulations and Theory of Ion Injection at Non-relativistic Collisionless Shocks. The Astrophysical Journal Letters, 2015, vol. 798 (2), p. L28.

5. Vshivkova L. V., Dudnikova G. I. Hybrid Model of Particle Acceleration on a Shock Wave Front. In: Numerical Analysis and Its Applications: 6th International Conference, NAA 2016, Revised Selected Papers, Lecture Notes in Computer Science 10187, 2017, p. 737-743.

6. Hockney R. W., Eastwood J. W. Computer Simulation Using Particles. Bristol, Adam-Hilger, 1988.

7. Braginskii S. I. Transport Processes in a Plasma. Reviews of Plasma Physics, 1965, p. 205-311.

8. Birdsall C. K., Langdon A. B. Plasma physics via computer simulation. McGraw-Hill, 1985.

9. Boris J. P. Relativistic plasma simulation - optimization of a hybrid code. In: Proceedings of 4th Conference on Numerical Simulation of Plasmas. Washington DC, Naval Research Laboratory, 1970, p. 3-67.

10. Lotov K. V., Timofeev I. V., Mesyats E. A., Snytnikov A. V., Vshivkov V. A. Note on quantitatively correct simulations of the kinetic beam-plasma instability. Physics of Plasmas, 2015, vol. 22, p. 024502.

11. Kireev S. A Parallel 3D Code for Simulation of Self-gravitating Gas-Dust Systems. Parallel Computing Technologies, 2009, vol. 5698, p. 406-413.

12. Boronina M. A., Chernykh I. G., Genrikh E. A., Vshivkov V. A. Parallel Realization of the Hybrid Model Code for Numerical Simulation of Plasma Dynamics. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1336, p. 012017.

13. Nishiguchi A., Orii S., Yabe T. Vector calculation of particle code. Journal of Computational Physics, 1985, vol. 61, I.3, p. 519-522.

14. Horowitz E. J. Vectorizing the interpolation routines of particle-in-cell codes. Journal of Computational Physics, 1987, vol. 68, p. 56-65.

15. Vincenti H., Lobet M., Lehe R., Sasanka R., Vay J.-L. An efficient and portable SIMD algorithm for charge/current deposition in Particle-In-Cell codes. Computer Physics Communications, 2017, vol. 210, p. 145-154.