Relativistic Simulations and Numerical Cherenkov

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Relativistic Simulations and Numerical Cherenkov M. Hoshino Acknowledgements: T. N. Kato and K. Nagata

2D Relativistic Shock Simulation upstream downstream unphysical wave, Numerical Cherenkov X-mode wave (light wave), “precursor wave”

Simulation Parameters NX*NY=1024*32 NP(initial)=NX*NY*16 σ=0.1, γ=10, mi=me vth/c = 0.02, Lgyro/Δx = 50 cΔt/Δx = 0.2 time step = 4000 CPU time @SX6 = 5min*4CUP (3.7 Gflops) Memory Size = 1.2 GB,

数値ノイズ(格子振動)の原因は? ・空間の差分からくるのか? ・フーリエ空間ではどうか? ・1次元コードでは現れないのに、2次元/3次元コードではあらわれるのか? ・相対論的な流れ場があるときだけか? ・プラズマ温度が高い時は現れないのか?

Simulation Parameters NX*NY=128*128 NP(initial)=NX*NY*16 γ=100-0.57, mi=me vth/c = 0.1, Debye/Δx = 1 cΔt/Δx = 0.9 time step = 2000 CPU time @Xeon = 40sec*6core FFT codes/ Finite Difference code 2種類のFFT code (a) Maxwell方程式の厳密解に基づくもの (b) 空間微分だけをフーリエで置き換えたもの

Numerical Experiment (1) Thermal Run, Vb=0 実空間 フーリエ空間

Numerical Experiment (2) Vb=0.99995, Ub=100 grid oscillation 実空間 フーリエ空間 large amplitude!!

w-k diagram for “light wave” p/D ky w kx p/D (Nyquist wavenumber)

w-k diagram for “entropy wave” p/D X方向にプラズマ全体が 速度vphで流れている場合 ky w kx p/D (Nyquist wavenumber)

“aliasing” p/Dt “k3” k3 = k1 +k2 w k2 k1 p/D k

“entropy wave” + “aliasing wave” p/D X方向にプラズマ全体が 速度vbで流れている場合 ky w “aliasing wave” kx p/D “original entropy wave” (Nyquist wavenumber)

resonance of “light” and “entropy” waves ky ky w w kx kx

Numerical Experiment (3) Vb=0.5 実空間 フーリエ空間

Numerical Experiment (4) Ub=100, Filter (短波長の波動をカット) 実空間 フーリエ空間

Numerical Experiment (5) (cf. シミュレーション天文学 p.200) Ub=100, Semi-Implicit-FFT with a=0.6 grid oscillation is suppressed 実空間 フーリエ空間 small amplitude

Semi-Implicit Scheme a=1/2 時間に対して中央差分、1/2< a <1 後退差分 自由空間波(w=kc)に対して陰的解法、プラズマ効果は陽的解法 a=1/2 時間に対して中央差分、1/2< a <1 後退差分 (note: 通常はa = 0.501~0.505がお勧め) (cf. シミュレーション天文学 p.200)

Numerical Experiment (6) Ub=100, Relativistic hot plasma T/mc2=10 grid oscillation is suppressed numerical Cherenkov 実空間 フーリエ空間 small amplitude

FFT + 短波長フィルター

finite difference scheme w=kc w resonance w=kvb (vb=0.9) “numerical dispersion” p/D k

resonance of “light” and “entropy” waves (finite difference scheme) ky ky w w kx kx “direct” resonance by numerical dispersion effect

Numerical Experiment (7) Ub=100, finite-difference scheme numerical Cherenkov 実空間 フーリエ空間

Numerical Experiment (8) Vb=0.5, finite-difference scheme numerical Cherenkov 実空間 フーリエ空間

Origin of Numerical Cherenkov resonance between “physical wave (light wave)” and “entropy wave (density fluctuation wave)” with aliasing effect 対策: (1) 短波長の波動をFilter で落とす. (2) FFT code を使う.

FFT scheme (cf. Birdsall & Langdon, p.365)