基于电子回旋动理学和离子完全动理学的电流驱动不稳定性的模拟研究

Collisionless magnetic reconnection is of particularly interest to the fields of magnetic-controlled fusion plasmas and space plasmas. We are about to investigate the current-driven instabilities in the Harris current sheet based on the particle simulation code of gyro-kientic electron and fully- kinetic ion(GeFi). The code could handle the modes ranging from magnetohydrodynamic waves to lower hybrid drift/whistler waves on an equal footing with retaining the nondiagonal elements of electron pressure term, meanwhile the code runs efficiently with the real mass ratio. In specific, this project includes the following two studies: optimization of the GeFi code by CUDA architecture, evolution of the lower hybrid drift instability and current-centered instability in the Harris current sheet with considering the effects of anisotropic-pressure and guiding magneitc field. The studies are positive to the development of GeFi code, and are expected to make advances in the collisionless magnetic reconnection.

无碰撞磁场重联是受控磁约束核聚变等离子体以及空间等离子体的重要研究课题，本项目利用GeFi（gyro-kinetic electron and fully-kinetic ion）粒子模拟代码研究Harris电流片中电流驱动不稳定性问题。GeFi粒子模拟代码可以在包含电子压强非对角项的基础上，以较大计算步长和真实电子-离子质量比对磁流体波、动力学阿尔芬波、低混杂波等进行数值模拟。本项目研究内容包括：GeFi粒子模拟代码的CUDA优化、导向中心磁场存在时Harris电流片中由压力各向异性束流驱动的低混杂波不稳定性以及电流片中心不稳定性。上述工作将促进GeFi粒子模拟代码的深入开发，有望在无碰撞磁场重联研究方面取得一定进展。

等离子体作为典型的非线性多维系统，单纯的理论或者实验在研究该系统复杂问题时具有较大的局限性。相对而言，基于第一性原理的粒子模拟方法可以对理论分析和实验研究进行有效的补充，能够在一定程度上揭示包含动力学细节的等离子体非线性演化过程。本项目应用粒子模拟方法研究了等离子体电流片中的电流驱动不稳定性问题以及等离子体中的波谱、扩散等问题，给出了Harris电流片中心区域不稳定性的色散关系、线性增长率、电磁特性、非线性饱和特征。此外我们通过更为广泛的研究，掌握了等离子体扩散特性、波谱特性的分析方法。为了验证模拟结果的合理性并进一步拓展模拟程序，我们从线性弗拉索夫方程出发，解析推导了Harris电流片下的电磁不稳定性，同时还推导了Harris电流片下电子、离子温度分布各向异性的分布函数以及色散关系。此外，为了在弗拉索夫方程中引入碰撞项，我们开发了中性碰撞模块并进行了较为成功的测试。为了提高数据分辨率，本项目所进行的二维模拟采用了千万量级粒子数以及十万量级格点数，模拟步长为电子的回旋周期，在这种情况下模拟程序的运算非常缓慢。为了提高模拟程序的运算效率，我们利用CUDA并行架构对粒子模拟程序进行了优化。通过在天河超级计算机运行测试，结果显示在调用节点数不大于8的情况下，加速效率取得了5倍左右的效果。上述研究结果，深化了对电流片不稳定性问题的认识，相关的理论推导、模块开发、以及CUDA并行优化为GeFi粒子模拟程序的深入开发打下了一定的基础。项目团队的模拟分析水平得到了显著提高。