Logowanie do System sprawozdań KDM

Symulacje numeryczne procesów dynamicznych w plazmach astrofizycznych: niestabilności i turbulencja w modelach kinetycznym i płynowym

Kierownik projektu: Marek Strumik

University of Oxford

Department of Physics

Oxford

Streszczenie projektu

Celem projektu jest badanie procesów dynamicznych związanych z niestabilnościami i turbulencją w plazmach astrofizycznych. Głównym problemem naukowym jest zrozumienie wzajemnych relacji i wzajemnego wpływu dynamiki plazmy na różnych skalach czasowych i przestrzennych. Badania obejmują turbulencję plazmową, niestabilności związane z anizotropią ciśnienia, rekoneksję magnetyczną oraz generację pól magnetycznych w procesie dynamo. Dynamika plazmy modelowana jest zarówno w ujęciu kinetycznym jak i płynowym.

Do symulacji numerycznych w przybliżeniu kinetycznym używany jest zrównoleglony kod numeryczny zaimplementowany w języku C/C++ (z użyciem bibliotek MPI, FFTW, GSL) używający metody hybrydowej particle-in-cell w jednym, dwóch lub trzech wymiarach przestrzennych. W metodzie tej rozwiązanie równań Maxwella-Vlasova uzyskiwane jest poprzez bezpośrednie całkowanie równań ruchu dla jonów, elektrony są modelowane w przybliżeniu płynowym, ewolucja czasowa pól elektrycznego i magnetycznego jest uzyskiwana na regularnej siatce przestrzennej typu Yee (znanej także jako staggered grid).

Symulacje w przybliżeniu płynowym prowadzone są przy użyciu zrównoleglonego kodu zaimplementowanego w języku C/C++ (z użyciem bibliotek MPI, FFTW, GSL) w którym możliwe są obliczenia w ramach przybliżeń MHD lub Hall-MHD w jednym, dwóch lub trzech wymiarach przestrzennych. Rozwiązanie równań płynowych jest uzyskiwane przy użyciu schematu typu Kurganov-Tadmor (MUSCL), iteracja rozwiązania w czasie odbywa się w oparciu o schemat typu Runge-Kutta, przy czym bezźródłowość pola magnetycznego jest zapewniona dzięki użyciu regularnej siatki przestrzennej typu Yee.

Badane zjawiska fizyczne mają charakter wieloskalowy i wymagają równoległych wieloprocesorowych obliczeń na siatkach przestrzennych o dużej rozdzielczości przy użyciu dużych mocy obliczeniowych.

Powiązane granty naukowe:

Grant Marie Sklodowska-Curie Actions, Horizon 2020 Programme: Multiscale dynamics of astrophysical plasmas: pressure-anisotropy-driven instabilities and large-scale dynamical processes (ASTROMULTISCALE, No 657251).

Powiązane publikacje:

Strumik M., Czechowski A., Grzedzielski S., Macek W. M., Ratkiewicz R., Small-scale Local Phenomena Related to the Magnetic Reconnection and Turbulence in the Proximity of the Heliopause, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 773, L23, 2013.

Ben-Jaffel L., Strumik M., Ratkiewicz R., Grygorczuk J., The Existence and Nature of the Interstellar Bow Shock, The Astrophysical Journal, Vol. 779, 130, 2013.

Strumik M., Grzedzielski S., Czechowski A., Macek W.M., Ratkiewicz R., Advective transport of the interstellar plasma into the heliosphere across reconnecting heliopause, The Astrophysical Journal Letters, Vol. 782, L7, 2014.

Macek W.M., Strumik M., Hyperchaotic intermittent convection in a magnetized viscous fluid, Physical Review Letters, Vol. 112, 074502, 2014.

Strumik M., Roytershteyn V., Karimabadi H., Stasiewicz K., Grzesiak M., Przepiórka D., Identification of the dominant ULF wave mode and generation mechanism for obliquely propagating waves in the Earth's foreshock, Geophysical Research Letters, Vol. 42, 5109-5116, 2015.

Publikacje

  1. Strumik M., Stasiewicz K, Multidimensional Hall magnetohydrodynamics with isotropic or anisotropic thermal pressure: Numerical scheme and its validation using solitary waves, Journal of Computational Physics 330, (2017) 846-862
  2. Helander P., Strumik M., Schekochihin A. A., Constraints on dynamo action in plasmas, Journal of Plasma Physics 82(6), (2017) 905820601
  3. Strumik M., Schekochihin A. A., Helander P., Physical mechanisms of regulation of pressure anisotropy in collisionless turbulent plasmas within MHD-CGL regime, Fifth International Workshop on the Theory and Applications of the Vlasov equation, Vlasovia 2016, Copanello (Calabria), Włochy, 30.05-2.06 2016. Referat zgłoszony. -, (2016) -
  4. Strumik M., Schekochihin A. A., Helander P., Plasma dynamics and ?-dependent limits on pressure anisotropy and fluctuation amplitude in the solar wind, 9th Plasma Kinetics Working Group Meeting, Wolfgang Pauli Institute, Wiedeń, Austria, 25.07-5.08 2016. Referat zaproszony. -, (2016) -
  5. Strumik M., Effective viscosity of collisionless plasma due to pressure anisotropy increase, SLAC National Accelerator Laboratory Seminar, Stanford University, USA, 8.12-9.12 2016. Referat zaproszony. -, (2016) -
  6. Strumik M., Schekochihin A. A., Squire J., Bale S.D. , Regulation of pressure anisotropy in the solar wind: processes within inertial range of turbulence, AGU Fall Meeting Conference, San Francisco, USA, 12.12-16.12 2016. Referat zgłoszony. SH42A-08, (2016) -
  7. Strumik M., Effective viscosity of collisionless plasma due to pressure anisotropy increase, Space and Atmospheric Physics Group Seminar, Imperial College London, Wielka Brytania, 12.1.2016. Referat zaproszony. -, (2016) -

Centrum Informatyczne Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej
ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk   |   tel. 58-347-24-11
email: office@task.gda.pl   |   NIP: 584-020-35-93