We propose a spectral method for the 1D-1V Vlasov-Poisson system where the discretization in velocity space is based on asymmetrically-weighted Hermite functions, dynamically adapted via a scaling $\alpha$ and shifting $u$ of the velocity variable. Specifically, at each time instant an adaptivity criterion selects new values of $\alpha$ and $u$ based on the numerical solution of the discrete Vlasov-Poisson system obtained at that time step. Once the new values of the Hermite parameters $\alpha$ and $u$ are fixed, the Hermite expansion is updated and the discrete system is further evolved for the next time step. The procedure is applied iteratively over the desired temporal interval. The key aspects of the adaptive algorithm are: the map between approximation spaces associated with different values of the Hermite parameters that preserves total mass, momentum and energy; and the adaptivity criterion to update $\alpha$ and $u$ based on physics considerations relating the Hermite parameters to the average velocity and temperature of each plasma species. For the discretization of the spatial coordinate, we rely on Fourier functions and use the implicit midpoint rule for time stepping. The resulting numerical method possesses intrinsically the property of fluid-kinetic coupling, where the low-order terms of the expansion are akin to the fluid moments of a macroscopic description of the plasma, while kinetic physics is retained by adding more spectral terms. Moreover, the scheme features conservation of total mass, momentum and energy associated in the discrete, for periodic boundary conditions. A set of numerical experiments confirms that the adaptive method outperforms the non-adaptive one in terms of accuracy and stability of the numerical solution.


翻译:我们为1D-1V Vlasov-Poisson系统提议了一个光谱方法,在这种光谱方法中,速度空间的离散以不对称加权的赫尔米特功能为基础,通过一个比例值进行动态调整,并移动速度变量的美元。具体地说,每次在瞬间,一个适应性标准根据离散的Vlasaov-Poisson系统的数字解决方案选择一个新的值为美元和美元。一旦赫米特参数的新值(美元和美元)固定下来,赫米特的扩展和离散保存系统在下一个时间步骤中进一步演变。该程序在理想的时间间隔中反复应用。适应性标准的关键方面是:与保持整体质量、动力和能量的赫米特-波索尔系统不同值值值相关的近光度值和美元;根据物理因素更新美元和美元,与赫米特相关的平均速度和温度相关的新值,赫米特的扩展和离散的稳定性系统将进行更新,而离散的稳定性系统则通过一个不连续的内值计算方法,从而稳定地调整了内值的内值。

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