Across many plasma applications, the underlying phenomena and interactions among the involved processes are known to exhibit three-dimensional characteristics. Furthermore, the global properties and evolution of plasma systems are often determined by a process called inverse energy cascade, where kinetic plasma processes at the microscopic scale interact and lead to macroscopic coherent structures. These structures can have a major impact on the stability of plasma discharges, with detrimental effects on the operation and performance of plasma technologies. Kinetic particle-in-cell (PIC) methods offer a sufficient level of fidelity to capture these processes and behaviors. However, three-dimensional PIC simulations that can cost-effectively overcome the curse of dimensionality and enable full-scale simulations of real-world time significance have remained elusive. Tackling the enormous computational cost issue associated with conventional PIC schemes, the computationally efficient reduced-order (RO) PIC approach provides a viable path to 3D simulations of real-size plasma systems. This part II paper builds upon the improvements to the RO-PIC’s underpinning formulation discussed in part I and extends the novel ‘first-order’ RO-PIC formulation to 3D. The resulting Quasi-3D (Q3D) implementation is rigorously verified in this paper, both at the module level of the Q3D reduced-dimension Poisson solver and at the global PIC code level. The plasma test cases employed correspond to 3D versions of the 2D configurations studied in part I, specifically: (a) a 3D problem involving electron plasma oscillations with Landau damping, and (b) a 3D extension to the Diocotron instability problem. The detailed verifications of the Q3D RO-PIC confirm that it maintains the expected levels of cost-efficiency and accuracy, demonstrating the ability of the approach to indistinguishably reproduce full-3D simulation results at a fraction of the computational cost.
多くのプラズマ応用において、関与するプロセス間の基礎となる現象や相互作用は三次元的特性を示すことが知られている。さらに、プラズマ系の全体的性質と進化は、微視的スケールでの運動論的プラズマプロセスが相互作用し、巨視的なコヒーレント構造を生み出す、逆エネルギーカスケードと呼ばれるプロセスによってしばしば決定される。これらの構造は、プラズマ放電の安定性に大きな影響を与え得、プラズマ技術の運転と性能に悪影響を及ぼす。運動論的粒子インセル(PIC)法は、これらのプロセスと挙動を捉えるのに十分な忠実度を提供する。しかし、次元の呪いを費用対効果の高い形で克服し、現実世界の時間的重要性を持つフルスケールシミュレーションを可能にする三次元PICシミュレーションは、依然として実現が困難であった。従来のPICスキームに伴う膨大な計算コストの問題に取り組み、計算効率の高い縮約次数(RO)PIC手法は、実規模のプラズマ系の3Dシミュレーションへの実行可能な経路を提供する。本パートII論文は、パートIで議論されたRO-PICの基盤となる定式化への改良に基づき、新しい「一次」RO-PIC定式化を3Dに拡張する。結果として得られる準3次元(Q3D)実装は、本論文において、Q3Dの縮約次元ポアソンソルバーのモジュールレベルと、グローバルPICコードレベルの両方で厳密に検証される。用いられるプラズマテストケースは、パートIで研究された2D構成の3Dバージョンに対応し、具体的には、(a)ランダウ減衰を伴う電子プラズマ振動を含む3D問題、および(b)ダイオコトロン不安定性問題の3D拡張である。Q3D RO-PICの詳細な検証は、それが期待されるレベルのコスト効率と精度を維持することを確認し、この手法が計算コストの一部でフル3Dシミュレーション結果を区別なく再現できることを実証している。