A high-order piecewise field-aligned triangular finite element method is developed and implemented for global electromagnetic gyrokinetic particle-in-cell simulations of tokamak plasmas with open field lines. The approach combines locally field-aligned finite element basis functions with unstructured C1 triangular meshes in cylindrical coordinates, enabling whole-volume simulations with substantially reduced computational effort, while avoiding the grid distortion associated with globally field-aligned coordinates and the associated singularity at the separatrix of diverted plasmas. The formulation is compatible with both δf and full-f models and employs mixed-variable representations, along with a generalized pullback scheme, to control numerical cancellation in electromagnetic simulations. The method is implemented in the TRIMEG-C1 code and demonstrated using linear and nonlinear electromagnetic simulations of the Tokamak á configuration variable-X21 configuration. The results indicate that the approach accurately captures the key features of electromagnetic ion-temperature-gradient and kinetic ballooning mode physics, including the separatrix regions in the simulation, thereby providing a robust framework for whole-volume electromagnetic gyrokinetic simulations in realistic tokamak geometries.
開いた磁力線を持つトカマクプラズマのグローバル電磁ジャイロ運動論的粒子インセルシミュレーションのために、高次区分的磁力線整列三角形有限要素法が開発され、実装された。この手法は、局所的に磁力線に沿った有限要素基底関数と、円筒座標における非構造C1三角形メッシュを組み合わせることで、全体積シミュレーションを可能にし、計算労力を大幅に削減するとともに、大域的磁力線整列座標に伴う格子歪みと、それに伴うダイバータプラズマのセパラトリックスにおける特異性を回避する。この定式化はδfモデルとfull-fモデルの両方と互換性があり、電磁シミュレーションにおける数値的相殺を制御するために、混合変数表現と一般化されたプルバックスキームを採用している。この手法はTRIMEG-C1コードに実装され、Tokamak á configuration variable-X21配位の線形および非線形電磁シミュレーションを用いて実証された。結果は、この手法がシミュレーション内のセパラトリックス領域を含む電磁イオン温度勾配および運動論的バルーニングモード物理の主要な特徴を正確に捕捉することを示しており、それによって現実的なトカマク形状における全体積電磁ジャイロ運動論的シミュレーションのための堅牢な枠組みを提供する。