Structure-Preserving Transfer of Grad-Shafranov Equilibria to Magnetohydrodynamic Solvers
Rushan Zhang, Golo Wimmer, Qi Tang
用于研究磁约束聚变的动态等离子体的磁流体动力学(MHD)求解器通常依赖于描述力平衡的初始条件,这些条件由基于Grad-Shafranov(GS)方程的平衡求解器提供。 将这种均衡从GS离散化转移到MHD离散化通常会导致错误,导致对MHD离散化水平的均衡产生不必要的扰动。 在这项工作中,我们在有限元方法的背景下确定和分析此类错误的来源,重点是加载均衡的力平衡和无发散属性。 特别是,我们揭示了三个主要的错误来源:(1)在MHD方案中相对于GS方案中poloidal flux和toroidal field function space的不当选择有限元素空间,(2)两个求解器的网格的错位,(3)可能位于separatrix附近的强梯度不足。 考虑到这一点,我们研究了有限元空间的不同选择的影响,包括那些基于兼容有限元的空间。 此外,我们还研究网格错位的影响,并提议进行网格细化,以解决separatrix附近的强梯度。 进行数值实验以证明在转移的初始条件下产生的平衡误差。 结果表明,当使用结构保护的有限元空间以及MHD和GS网格对齐和精炼时,力平衡最好地保存。 鉴于多倍态通量通常在连续的Ga勒金空间中计算,我们进一步证明,将磁场投射到符合发散的空间是保持力平衡的最佳选择,而投射到卷曲符合的空间,虽然对力平衡不太理想,但弱地保留了无发散的特性。
Magnetohydrodynamic (MHD) solvers used to study dynamic plasmas for magnetic confinement fusion typically rely on initial conditions that describe force balance, which are provided by an equilibrium solver based on the Grad-Shafranov (GS) equation. Transferring such equilibria from the GS discretization to the MHD discretization often introduces errors that lead to unwanted perturbations to the equilibria on the level of the MHD discretization. In this work, we identify and analyze sources of su...