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Time-discretization of a plasma-neutral MHD model with a semi-implicit leapfrog algorithm

颂歌 离散化 非线性系统 解算器 应用数学 磁流体力学 曲柄-尼科尔森法 计算机科学 算法 数学 数学优化 等离子体 物理 数学分析 量子力学
作者
Sina Taheri,Jacob King,U. Shumlak
出处
期刊:Computer Physics Communications [Elsevier BV]
卷期号:274: 108288-108288 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.cpc.2022.108288
摘要

The semi-implicit leapfrog time-discretization is a workhorse algorithm for initial-value MHD codes to bridge between vastly separated time scales. Inclusion of atomic interactions with neutrals breaks the functional structure of the MHD equations that exploited by the leapfrog. We address how to best integrate atomic physics into the semi-implicit leapfrog. Following the Crank-Nicolson method, one approach is to time-center the atomic interactions in the linear solver and use a Newton method to include the nonlinear contributions. Alternatively, another family of methods are based on operator-splitting the terms associated with the atomic interactions using a Strang-splitting technique. These methods naturally break equations into constituent ODE and PDE parts and preserve the structure exploited by the semi-implicit leapfrog. We study the accuracy and efficiency of these methods through a battery of 0D and 1D cases and show that a second-order-in-time Douglas-Rachford inspired coupling between the ODE and PDE advances is effective in reducing the time-discretization error to be comparable to that of Crank-Nicolson with Newton iteration of the nonlinear terms. Splitting ODE and PDE parts results in independent matrix solves for each field which reduces the computational cost considerably and provides parallelization over species relative to Crank-Nicolson.
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