Implementation of structure-preserving plasma simulation using a scalable framework

Thumbnail Image

Files

master_Nortamo_Henrik_2020.pdf (12.1 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Perustieteiden korkeakoulu | Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2020-10-20

Department

Major/Subject

Engineering Physics

Mcode

SCI3056

Degree programme

Master’s Programme in Engineering Physics

Language

en

Pages

36+2

Series

Abstract

In this thesis we created simple, relatively efficient and usable plasma simulations. The code implements a sympletic structure-preserving geometric particle-in-cell algorithm using the AMReX framework. The framework is chosen based on the suitability for providing a future path towards exascale plasma simulations. AMReX is superior to our other evaluated choices due to a plethora of features and robust development and support. The code is used to simulate electron-temperature-gradient instabilities in a 2D computational domain. We report similar characteristics for 1D Gaussian temperature profiles of different width, with large bipolar wave fronts propagating in the plasma to later rupture into density blobs. The strongest temperature gradient gives birth to an instability much larger than the initial size of the temperature profile. Stronger gradients lead to faster growing and larger instabilities.

I detta arbete har vi skapat enkla, relativt effektiva och användbara plasmasimulationer. Programmet implementerar en sympletisk, strukturbevarande och geometrisk partikel-i-cell-algoritm med hjälp av ramverket AMReX. Ramverket väljs på basis av sin användbarhet för framtida plasmasimulationer på exaskala. AMReX lämpar sig bäst av de utvärderade alternativen, eftersom ramverket erbjuder en uppsjö av funktioner och har en robust utvecklingsprocess samt bra stöd. Koden används för att simulera instabiliteter drivna av elektron-temperaturgradienter i en tvådimensionell simulationsdomän. Liknande beteende observeras för endimensionella gaussiska temperaturprofiler med olika bredd. Vi observerar stora bipolära vågfronter som färdas i plasmat och som senare brister och bildar densitetsklumpar. Den starkaste temperaturgradienten orsakar en instabilitet som är mycket större än den ursprungliga temperaturprofilen. Starkare gradienter orsakar större instabiliteter som växer snabbare.

Description

Supervisor

Groth, Mathias

Thesis advisor

Chôné, Laurent

Keywords

plasma, simulation, structure-preserving, AMReX, driftwaves

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202010255989

Collections

[dipl] Perustieteiden korkeakoulu / SCI