Современные методы вычислительного эксперимента в прикладной физике

Description

Учеб. пособие. М.: РУДН, 2008. – 248 с.Цель пособия – обеспечение базовой подготовки студентов магистратуры в области математического моделирования и вычислительного эксперимента. Содержание книги направлено на приобретение студентами знаний и навыков по самостоятельной разработке численных моделей для изучения сложных физических явлений и процессов, протекающих в действующих и проектируемых экспериментальных установках, и проведение студентами вычислительных экспериментов.Предназначено для студентов первого года обучения в магистратуре, обладающих базовыми знаниями по физике, математике и информатике в объеме программы бакалавриата факультета физико-математических наук РУДН, соответствующей федеральному образовательному стандарту.ВведениеМатематическое моделирование и вычислительный эксперимент – новая технология научных исследованийМатематическое моделирование и вычислительный экспериментЦикл вычислительного экспериментаОсобенности вычислительного экспериментаОсновные особенности новой технологии научных исследованийВычислительный эксперимент в прикладной физикеМоделирование физических систем, состоящих из большого числа взаимодействующих частицМетод частиц и его реализацииМоделирование реального газа по методу молекулярной динамикиМетод частиц в ячейке для моделирования бесстолкновительной плазмыМоделирование галактикМетод частиц для моделирования течения несжимаемой жидкостиМодели плазмы, основанные на уравнении ВласоваУравнение ВласоваРешение системы уравнений Власова – Пуассона методом преобразованийМетод «водяного мешка»Численное решение уравнения ВласоваМетод частиц в ячейке для описания одномерных электростатических процессовОбщая схема моделированияВычисление распределения плотности зарядаНахождение самосогласованного электрического поляМетод прогонки для решения уравнения Пуассона с непериодическими граничными условиямиМетод Фурье для периодических граничных условийПродвижение частиц на очередном временном шагеФормирование начального распределения частиц на фазовой плоскостиФормулы алгоритма PIC-метода в компьютерных переменныхОбщая структура программы одномерного PIC-моделированияПримеры моделирования одномерных плазменных системДвухпотоковая неустойчивостьНелинейные колебания плазмы в цилиндрическом волноводе под действием локализованного электрического импульсаЭлектронные колебания в пучковом двойном слоеМоделирование одномерных электромагнитных процессовОдномерная электромагнитная модель плазмыЧисленное решение релятивистских уравнений движения частиц в электромагнитном полеИнтегрирование уравнений Максвелла методом ДаусонаЗадание поля электромагнитного импульса в вакуумной областиПримеры одномерного электромагнитного моделированияВозбуждение кильватерных волн в плазме мощным лазерным импульсомСамомодуляция правополяризованной волны в области электронного циклотронного резонансаРаспространение электромагнитных солитонов поперек сильного магнитного поля в плазмеМетод частиц в ячейке для двумерных и трехмерных плазменных процессовОбщая схема метода для электростатических процессовВычисление распределения плотности зарядаЭлектромагнитные алгоритмы, непосредственно использующие значения электрического и магнитного полейBзаимодействие частиц и полейГраничные условияДиагностикиПримеры вычислительного эксперимента для трехмерных плазменных системРазработка сложных многомерных программ численного моделированияПлазма, удерживаемая в зеркальной магнитной ловушке в условиях электронного циклотронного резонансаПараметры экспериментальной установки и основные параметры численной моделиОсновные этапы создания численной моделиРезультаты вычислительного экспериментаЧисленное исследование параметров плазмы ЭЦР-источника ионовПараметры экспериментальной установки и основные этапы численного моделированияРезультаты вычислительного экспериментаСоздание релятивистских электронных и плазменных сгустков и управление их движениемЭкспериментальная установкаЧисленная модель плазмы в условиях синхротронного гиромагнитного авторезонанса в зеркальной магнитной ловушкеОсобенности численной моделиРезультаты вычислительного экспериментаЧисленная модель формирования плотных плазменных сгустковЧисленная модель адиабатического сжатия плазмыПараметры плазмы, генерируемой в результате СГА с последующим адиабатическим сжатиемКоллективное ускорение протонов плазменного сгусткаИнструментальная среда для проведения вычислительного эксперимента по изучению динамики заряженных частиц в открытых магнитных ловушкахИнструментальная среда как технология создания виртуальных физических установокОсновы работы с инструментальной средойПредставление результатов вычислительного экспериментаПараллельное и распределенное программированиеВведениеКлассификация параллельных вычислительных системКонцепции параллельного программирования и принципы разработки параллельных программКластерные системыРаспределенные вычисленияЗаключениеОписание курса и программа