Relativistic Simulations and Numerical Cherenkov

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

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

3 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 = 5min*4CUP (3.7 Gflops) Memory Size = 1.2 GB,

4 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？

5 Simulation Parameters
NX*NY=128*128 NP(initial)=NX*NY*16 γ= , mi=me vth/c = 0.1, Debye/Δx = 1 cΔt/Δx = 0.9 time step = 2000 CPU = 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

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

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

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

9 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)

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

11 “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)

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

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

14 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

15 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

16 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)

17 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

18 FFT + 短波長フィルター

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

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

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

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

23 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.

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