等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性分析

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时域有限差分(Finite-Difference Time-Domain Method,FDTD)方法是处理等离子体中电磁波传播问题的一种重要手段,其数值色散误差和稳定性是不可回避的问题。近年来随着FDTD计算方法的发展,电流密度卷积FDTD(JE Convolution FDTD,JEC-FDTD)方法在等离子体研究中得到了广泛的应用。然而,已有文献仅对非磁化等离子体中一维JEC-FDTD方法的数值色散作了分析。本文在此基础上,深入研究了等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性。具体研究内容包括:  首先,介绍了JEC-FDTD方法的鉴本理论,包括传统的FDTD算法及Courant稳定条件、JEC-FDTD方法的迭代方程以及完全匹配层的相关理论,并对算法进行了仿真实现;其次从一维非磁化等离子体JEC-FDTD方法的数值色散分析入手,深入研究了二维和三维情况下算法的数值色散特性,并以一维非磁化等离子体JEC-FDTD方法为例,分析了其在不同等离子体碰撞频率和不同等离子体角频率时的稳定性;最后进一步研究了一维磁化等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性,分析了磁化等离子体参数对数值色散特性和稳定性的影响。  通过对非磁化等离子体和磁化等离子体中JEC-FDTD方法的数值色散特性和稳定性分析,可以得到在保证算法稳定时等离子体参数的取值范围及其数值色散误差。此研究结果对JEC-FDTD方法在等离子体中的应用具有非常重要的指导意义。此外,本文的研究思想可推广到其他色散介质的FDTD方法中。
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