How do fluid simulations reproduce kinetic simulation results?

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 19H01868
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 14010:Fundamental plasma-related
• Research Institution: Hokkaido University (2023); Nagoya University (2019-2022)
• Principal Investigator: Umeda Takayuki 北海道大学, 情報基盤センター, 教授 (40432215)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: プラズマ科学 / 宇宙プラズマ / 計算機シミュレーション / 高性能計算

Outline of Final Research Achievements

In order to solve a question on the difference between fluid simulations and kinetic simulations in space plasma, the third and fourth moments, which are not solved in standard fluid simulations, are evaluated from the first-principle kinetic simulations. It is found that the third moment, i.e., the heat flux tensor is essential to reproduce kinetic simulation results.
New numerical schemes are developed for kinetic simulations, which have higher-order accuracy than conventional schemes. By utilizing high-performance computing techniques, kinetic simulation codes are parallelized and optimized for latest supercomputers.

Free Research Field

計算科学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

従来の流体シミュレーションでは考慮されていなかった三次モーメント量が、運動論効果を仮想的に与える可能性を示唆し、新たな三次モーメント量を含んだ電磁流体シミュレーションの開発が必要であるという今後の宇宙プラズマシミュレーション方向性を見出した。
また、新たな高次精度数値スキームの開発により、従来の運動論シミュレーションの計算精度を保ったまま計算時間を格段に削減することに成功した。本研究で開発した技術は、今後さまざまな分野における計算機シミュレーションへ転用可能である。