發(fā)布時(shí)間：2018-07-14 08:12

【摘要】：等離子體是由大量帶電粒子與電磁場(chǎng)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(guò)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(duì)于多尺度物理過(guò)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(jiàn)的未來(lái)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、合理地運(yùn)用未來(lái)巨大的計(jì)算能力,并通過(guò)限制全局誤差而獲得正確可信的長(zhǎng)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(guò)保持物理系統(tǒng)的幾何結(jié)構(gòu)而獲得長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定性,這對(duì)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(duì)論性等離子體系統(tǒng)的保結(jié)構(gòu)粒子算法展開(kāi),詳述幾類相對(duì)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(duì)論多尺度物理過(guò)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(jiǎn)介開(kāi)放性保結(jié)構(gòu)粒子算法軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)方面的工作。算法研究方面,本文針對(duì)帶電粒子相對(duì)論洛倫茲力系統(tǒng),利用分裂法構(gòu)造了相對(duì)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(guò)與非協(xié)變、非保結(jié)構(gòu)算法的對(duì)比,展示了協(xié)變辛算法在保證長(zhǎng)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(shì),另外,協(xié)變辛算法的內(nèi)稟能量變步長(zhǎng)屬性有利于提高模擬粒子能量變化過(guò)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)法和分裂法,構(gòu)造了適用于含時(shí)相對(duì)論粒子模擬的顯式高階辛算法;針對(duì)相對(duì)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(duì)論性正則辛PIC算法。作為一種典型的相對(duì)論多尺度等離子體物理過(guò)程,托卡馬克中的逃逸電子物理對(duì)于未來(lái)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(duì)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)在逃逸電子過(guò)程的失效,并發(fā)現(xiàn)了一種劇烈的、源于托卡馬克磁場(chǎng)環(huán)幾何的無(wú)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(duì)于逃逸電子不同時(shí)間尺度的物理過(guò)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(duì)逃逸電子長(zhǎng)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(wú)碰撞投擲角散射的影響。針對(duì)ITER裝置參數(shù),本文應(yīng)用神威·太湖之光超級(jí)計(jì)算對(duì)存在磁波紋擾動(dòng)的逃逸電子物理過(guò)程進(jìn)行了 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(chǎng)對(duì)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)——"Accurate Particle Tracor(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)可以方便對(duì)源程序進(jìn)行算法、物理模組等的擴(kuò)展,方便整合不同領(lǐng)域的研究成果。
[Abstract]:In this paper , the author presents and studies the structure and theoretical research of relativistic electron - preserving particle algorithm . In order to promote the development and the large - scale application of the structure - preserving particle algorithm , this paper designs and implements the structure - preserving algorithm software platform _ " swarm particle Tracor ( APT ) " with the modularization , standardization and scalability . The APT supports the standardized I / O and many parallel modes , integrates a variety of charged particle geometry algorithms , and has been widely used in the light cluster of the Shenwei Taihu Lake . At the same time , APT is used as a software platform , and its extensible script system can facilitate the expansion of the source program and the physical module , and facilitate the integration of the research results in different fields .
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：O53

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本文編號(hào)：2121024