Particle-in-cell (PIC) methods have achieved widespread recognition as simple and flexible approaches to model collisionless plasma physics in fully kinetic simulations of astrophysical environments. However, in many situations the standard PIC algorithm must be extended to include macroscopic effects in microscale simulations. For plasmas subjected to shearing or expansion, shearing-box and expanding-box methods can be incorporated into PIC to account for these global effects. For plasmas subjected to local acceleration in confined regions of space, a leaky-box method can allow closed-box PIC simulations to account for particle escape from the accelerator region. In this work, we review and improve methods to include shearing, expansion, and escape in PIC simulations. We provide the numerical details of how Maxwell’s equations and the particle equations of motion are solved in each case, and introduce generalized Boris-like particle pushers to solve the momentum equation in the presence of extra forces. This work is intended to serve as a comprehensive reference for the implementation of shearing-box, expanding-box, and leaky-box algorithms in PIC.
Particle-in-cell (PIC)法は、天体物理環境の完全運動論的シミュレーションにおいて、無衝突プラズマ物理をモデル化するための単純かつ柔軟な手法として広く認識されている。しかしながら、多くの状況では、標準的なPICアルゴリズムを、ミクロスケールのシミュレーションに巨視的な効果を含めるように拡張しなければならない。せん断または膨張を受けるプラズマに対しては、shearing-box法およびexpanding-box法をPICに組み込んで、これらの大域的効果を考慮することができる。空間の限定された領域で局所的な加速を受けるプラズマに対しては、leaky-box法により、閉じた箱型PICシミュレーションが加速領域からの粒子脱出を考慮できるようになる。本稿では、PICシミュレーションにおけるせん断、膨張、および脱出を含める手法を概説し、改良する。各場合においてマクスウェル方程式と粒子の運動方程式がどのように解かれるかについて数値的詳細を提供し、さらに、追加の力の存在下で運動量方程式を解くための一般化されたBoris型粒子推進器を導入する。本研究は、PICにおけるshearing-box法、expanding-box法、およびleaky-box法アルゴリズムの実装に関する包括的な参考資料として役立つことを意図している。