Asymptotic solutions of the Vlasov-Poisson-Landau kinetic equations

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The paper is devoted to analytical and numerical study of solutions to the Vlasov–Poisson–Landau kinetic equations (VPLE) for distribution functions with typical length L such that \(\varepsilon = r_D/L \ll 1\), where \(r_D\) stands for the Debye radius. It is also assumed that the Knudsen number \({\rm
K\!n} = l/L = O(1)\)
, where \(l\) denotes the mean free pass of electrons. We use the standard model of plasma of electrons with a spatially homogeneous neutralizing background of infinitely heavy ions. The initial data is always assumed to be close to neutral. We study an asymptotic behavior of the system for small \(\varepsilon > 0\). It is known that the formal limit of VPLE at \(\varepsilon =
0\)
does not describe a rapidly oscillating part of the electric field. Our aim is to study the behavior of the “true” electric field near this limit. We consider the problem with standard isotropic in velocities Maxwellian initial conditions, and show that there is almost no damping of these oscillations in the collisionless case. An approximate formula for the electric field is derived and then confirmed numerically by using a simplified Bathnagar–Gross–Krook (BGK-type) model of Vlasov–Poisson–Landau equation (VPLE). Another class of initial conditions that leads to strong oscillations having the amplitude of order \(O(1/\varepsilon)\) is also considered. Numerical solutions of that class are studied for different values of parameters \(\varepsilon\) and \({\rm K\!n}\).

About the authors

A. V. Bobylev

Keldysh Institute of Applied Mathematics, RAS

Author for correspondence.
Email: alexander.bobylev47@gmail.com
Moscow, Russia

I. F. Potapenko

Keldysh Institute of Applied Mathematics, RAS

Email: alexander.bobylev47@gmail.com
Moscow, Russia

References

  1. Ландау Л.Д. Кинетическое уравнение в случае кулоновского взаимодействия// Ж. экс. и теор. физ.- 1937.-7.- C. 203-209.
  2. Batishchev O.V., Bychenkov V.Yu., Detering F., Rozmus W., Sydora R., Capjack C.E., Novikov V.N. Heat transport and electron distribution function in laser produced with hot spots// Phys. Plasmas.- 2002.-9.- C. 2302-2310.
  3. Bobylev A.V., Potapenko I.F. Long wave asymptotics for Vlasov-Poisson-Landau kinetic equation// J. Stat. Phys. -2019.- 175.-C. 1-18.
  4. Bobylev A.V., Potapenko I.F. On solutions of Vlasov-Poisson-Landau equations for slowly varying in space initial data// Kinet. Relat. Models.- 2023.- 16, № 1.-C. 20-40.
  5. Brantov A.V., Bychenkov V.Yu., Batishchev O.V., Rozmus W. Nonlocal heat wave propagation due to skin layer plasma heating by short laser pulses// Comput. Phys. Commun. -2004.- 164.- C. 67-72.
  6. Bychenkov V.Yu., Rozmus W., Tikhonchuk V.T., Brantov A.V. Nonlocal electron transport in a plasma// Phys. Rev. Lett. - 1995.- 75.- C. 4405-4408.
  7. Epperlein E.M., Short R.W. A practical nonlocal model for electron heat transport in laser plasmas// Phys. Fluids B.-1991.- 3.-C. 3092-3098.
  8. Grenier E. Oscillations in quasi-neutral plasma// Commun. Part. Differ. Equ. - 1996.- 21.- C. 363-394.
  9. Guisset S., Brull S., Dubroca B., d’Humieres E., Karpov S., Potapenko I. Asymptotic-preserving scheme for the M1-Maxwell system in the quasi-neutral regime// Commun. Comput. Phys. -2016.- 19, № 2.- C. 301-328.
  10. Ichimaru S. Basic Principles of Plasma Physics. -Boca Raton: CRC Press, 1973.
  11. Landau L.D. Kinetic equation in case of Coulomb interaction// Phys. Zs. Sov. Union. - 1936.- 10.- C. 154-164.
  12. Lifshitz E.M., Pitaevskii L.P. Physical Kinetics.- London: Pergamon, 1981.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».