Rusanov’s Third-Order Accurate Scheme for Modeling Plasma Oscillations

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A modification of the well-known Rusanov third-order accurate scheme is proposed for modeling nonrelativistic oscillations of a cold plasma. Only first- and second-order accurate schemes were used earlier for similar computations in Eulerian variables. In the case of a test problem with a smooth solution, the errors of the constructed scheme are investigated and compared with the errors of the MacCormack scheme. For the problem of free plasma oscillations induced by a short intense laser pulse, numerical results are presented concerning the conservation of energy and an additional function for both schemes and the accuracy of the electron density in the center of the domain. It is concluded that the Rusanov scheme is superior theoretically, although the MacCormack scheme is more suitable for applications, primarily, for computations of long-lived processes and cold plasma oscillations similar to actual ones. A theoretical analysis of approximation and stability, together with experimental observations of quantitative characteristics of the error for the most sensitive quantities, significantly improves the reliability of the computations.

About the authors

E. V. Chizhonkov

Faculty of Mechanics and Mathematics, Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: chizhonk@mech.math.msu.su
119991, Moscow, Russia

References

  1. Куликовский А.Г., Погорелов Н.В., Семенов А.Ю. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений. 2-е изд., испр. и доп. М.: Физматлит, 2012. С. 46–100.
  2. Чижонков Е.В. Математические аспекты моделирования колебаний и кильватерных волн в плазме. М.: Физматлит, 2018. С. 12–240.
  3. Чижонков Е.В. О схемах второго порядка точности для моделирования плазменных колебаний // Вычисл. методы и программирование. 2020. Т. 21. С. 115.
  4. Русанов В.В. Разностные схемы третьего порядка точности для сквозного счета разрывных решений // Докл. АН СССР. 1968. Т. 180. № 6. С. 1303.
  5. Rusanov V.V. On difference schemes of third order of accuracy for non-linear hyperbolic systems // J. Comput. Phys. 1970. V. 5. № 3. P. 507.
  6. Burstein S.Z., Mirin A.A. Third order difference methods for hyperbolic equations // J. Comput. Phys. 1970. V. 5. № 3. P. 547.
  7. Бахвалов Н.С., Корнев А.А., Чижонков Е.В. Численные методы. Решения задач и упражнения. Серия Классический университетский учебник. Учеб. пособие для вузов. 2-е изд., испр. и дополн. М.: Лаборатория знаний, 2016. С. 95–96.
  8. Александров А.Ф., Богданкевич Л.С., Рухадзе А.А. Основы электродинамики плазмы. М.: Высш. школа, 1988. С. 102–113.
  9. Гинзбург В.Л., Рухадзе А.А. Волны в магнитоактивной плазме. М.: Наука, 1975. С. 112–124.
  10. Davidson R.C. Methods in nonlinear plasma theory. New York: Academic Press, 1972. P. 33–53.
  11. Dafermos C.M. Hyperbolic Conservation Laws in Continuum Physics. The 4th Edition, Berlin-Heidelberg: Springer, 2016. P. 221–225.
  12. Engelberg S., Liu H., Tadmor E. Critical Thresholds in Euler – Poisson Equations // Indiana University Math. J. 2001. V. 50. P. 109.
  13. Розанова О.С., Чижонков Е.В. О существовании глобального решения одной гиперболической задачи // Докл. АН. Математика, информатика, процессы управления. 2020. Т. 492. № 1. С. 97.
  14. Rozanova O.S., Chizhonkov E.V. On the conditions for the breaking of oscillations in a cold plasma // Z. Angew. Math. Phys. 2021. V. 72. № 13. P. 1.
  15. Фролов А.А., Чижонков Е.В. О применении закона сохранения энергии в модели холодной плазмы // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2020. Т. 60. № 3. С. 503.
  16. Розанова О.С., Чижонков Е.В. Об аналитическом и численном решении одномерных уравнений холодной плазмы // Ж. вычисл. матем. и матем. физ. 2021. Т. 61. № 9. С. 1508.
  17. MacCormack R.W. The effect of viscosity in hypervelocity impact cratering // J. Spacecr. Rockets. 2003. V. 40. № 5. P. 757.
  18. Шокин Ю.И., Яненко Н.Н. Метод дифференциального приближения. Применение к газовой динамике. Новосибирск: Наука, 1985. С. 251–252.
  19. Андерсон Д., Таннехилл Дж., Плетчер Р. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Т. 1. М.: Мир, 1990. С. 179–180.
  20. Sheppard C.J.R. Cylindrical lenses – focusing and imaging: a review [Invited] // Applied Optics. 2013. V. 52. № 4. P. 538.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (55KB)
3.

Download (59KB)
4.

Download (58KB)

Copyright (c) 2023 Е.В. Чижонков

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies