The particle-in-cell (PIC) method has been widely used for studying plasma physics. However, fully three-dimensional PIC simulations always require huge computational resources. For problems with near azimuthal symmetry, recent work (Lifschitz et al 2009 J. Comput. Phys.228 1803–14, Davidson et al 2015 J. Comput. Phys.281 1063–77, Li et al 2021 Comput. Phys. Commun.261 107784, Li et al 2022 J. Comput. Phys.470 111599) has shown that expanding all the quantities defined on the grid in azimuthal harmonics and truncating the expansion can improve the code efficiency. In this paper, we describe a novel parallel algorithm for efficiently simulating three-dimensional near-spherical symmetry problems. Our approach expands all physical quantities in the and directions in spherical coordinates using vector spherical harmonics. The code is capable of simulating three-dimensional asymmetric scenarios by accurately tracking the evolution of distinct individual modes while preserving the charge conservation law. The fundamental dispersion relation of EM waves in the plasma has been obtained using VSHPIC simulation results. The code also shows a well strong scalability up to more than 1000 cores.
粒子インセル(PIC)法は、プラズマ物理学の研究に広く用いられてきた。しかしながら、完全な三次元PICシミュレーションは常に膨大な計算資源を必要とする。方位角対称に近い問題に対しては、最近の研究(Lifschitz et al 2009 J. Comput. Phys.228 1803–14, Davidson et al 2015 J. Comput. Phys.281 1063–77, Li et al 2021 Comput. Phys. Commun.261 107784, Li et al 2022 J. Comput. Phys.470 111599)により、グリッド上で定義されるすべての量を方位角調和関数で展開し、その展開を打ち切ることでコードの効率を向上できることが示されている。本論文では、三次元の球対称に近い問題を効率よくシミュレーションするための新しい並列アルゴリズムを述べる。我々の手法は、球座標における 方向と 方向のすべての物理量を、ベクトル球面調和関数を用いて展開する。このコードは、電荷保存則を保ちながら、異なる個々のモードの時間発展を正確に追跡することにより、三次元の非対称シナリオをシミュレーションすることができる。プラズマ中の電磁波の基本分散関係は、VSHPICシミュレーション結果を用いて得られた。このコードはまた、1000コア以上まで優れた強いスケーラビリティを示す。