| Home  | Manual | Models | Theory  | Forms  | Results  | News  | References | Contact us
 
back to Portal next GALPROP project
 
 

Manual




NUMERIC SOLUTION OF PROPAGATION EQUATION

The diffusion, reacceleration, convection and loss terms in eq. (1) can all be finite-differenced for each dimension (R,z,p) in the form

 ∂ψi  =  ψit+Δt − ψit  =  α1ψi-1t+Δt  −  α2ψit+Δt  +  α3ψi+1t+Δt  +   qi 
 ∂tΔtΔt

where all terms are functions of (R,z,p). In the Crank-Nicholson implicit method (Press et al., 1992) the updating scheme is

ψit+Δt =  ψit +  α1ψi-1t+Δt  −  α2ψit+Δt  +  α3ψi+1t+Δt  + qiΔt

Thus the tridiagonal system of equations,

 −  α1ψi-1t+Δt  +  (1 + α2it+Δt -  α3ψi+1t+Δt  = ψit + qiΔt

Table 1: Coefficients for the Crank-Nicholson method.

 Process   Coordinate  α1 /Δt α2 /Δt α3 /Δt
 Diffusion  R
 Dxx 2Ri – ΔR
2Ri (ΔR)2 
 Dxx 2Ri
2Ri (ΔR)2 
 Dxx  2Ri + ΔR
 2Ri (ΔR)2   
z  Dxx /(Δz)2   2Dxx /(Δz)2   Dxx /(Δz)2 
 Convectiona  z>0(V>0)  V(zi-1 )/Δz   V(zi )/Δz 0
z<0(V<0)0  − V(zi )/Δz  − V(zi+1 )/Δz 
 p
(
 dV >0
)
 dz 
0
 1 dV pi
 3 dz Pii+1
 1 dV pi+1
 3 dz Pii+1
 Diffusive

 reaccelerationa 
p
 
− Dpp,i − Dpp,i-1 +
Pii−12
 2 
(
  Dpp,i +   Dpp,i−1
)
Pii−1  Pi−1i+1 pi–1
 
−  Dpp,i − Dpp,i−1 +
Pii−12
2Dpp,i
(
   1 +  1
)
Pi−1i+1  Pii+1 Pii−1
 + 2Dpp,i
Pii−1 pi
2Dpp,i+1
Pi−1i+1 Pii+1
 
 Energy lossap 0
−   1 dpi
Pii+1dt
−   1 dpi+1
Pii+1dt
 Fragmentation R,z,p 0  1/3 τf  0
 Radioactive
 decay
R,z,p 0  1/3 τr  0
a Pji ≡  pi – pj
Top of Page



DIFFUSION IN R

As an example, the coefficients for the radial term are derived here.

                    1 ∂
(
RDxx  ∂ψ
)
 =  2 Dxx
{
Ri+1  ψi+1– ψi   –  Ri-1  ψi– ψi-1
}
R ∂R∂RRi  Ri+1– Ri-1 Ri+1– Ri Ri– Ri-1

Setting  Ri+1 − Ri  = Ri − Ri-1  = ΔR, one can obtain the following expressions in terms of our standard form (eq. [1])

                   α1/Δt =  Dxx   2Ri – ΔR
 2Ri (ΔR)2 
        α2/Δt = Dxx  2Ri
 2Ri (ΔR)2 
        α3/Δt =  Dxx   2Ri + ΔR
 2Ri (ΔR)2 





DIFFUSIVE REACCELERATION

In terms of 3-D momentum phase-space density ƒ(p) the diffusive reacceleration equation is

                    ∂ƒ(p)  = divp • 
[
 Dppgradp ƒ(p
]
 =  1 ∂ 
[
 p2Dpp ∂ƒ(p
]
tp2  ∂p  ∂p

The distribution is asumed isotropic so ƒ(p) = ƒ(p) where p = |p|. First we rewrite the equation in terms of ψ(p) = 4πp2ƒ(p) instead of ƒ(p) and expand the inner differential:

                    ∂ψ  =   ∂ 
[
 p2Dpp  ∂  ψ
]
 =   ∂   Dpp
[
 ∂ψ  −  2ψ
]
t ∂p ∂p p2  ∂p  ∂p   p

The differencing scheme is then

                    2
[
 Dpp,i+1
(
 ψi+1– ψi  –   2ψi+1
)
 –   Dpp,i-1 
(
 ψi– ψi-1  –   2 ψi-1
)]
pi+1– pi-1  pi+1– pi  pi+1  pi– pi-1  pi-1

In terms of our standard form (eq.[1]) the coefficients for reacceleration are

                   α1/Δt =  2 Dpp,i-1  
(
 1  +   2
)
pi+1– pi-1  pi– pi-1  pi-1

                   α2/Δt =  2  
(
 Dpp,i+1  +   Dpp,i-1
)
pi+1– pi-1  pi+1– pi  pi– pi-1

                   α3/Δt =  2 Dpp,i+1  
(
 1  +   2
)
pi+1– pi-1  pi+1– pi  pi+1


One more scheme (#2) comes from further detalization

                     =   ∂ Dpp ∂ψ  +  Dpp ∂2ψ  – 2  ∂ Dppψ
dt ∂p  ∂p  ∂p2   ∂p  p 

Here it is

                   α1/Δt =  –   Dpp,i–  Dpp,i-1    +   2 Dpp,i  +   2 Dpp,i-1  
pi– pi-12 pi+1– pi-1)  ( pi– pi-1) pi– pi-1pi-1

                   α2/Δt =  –   Dpp,i–  Dpp,i-1    +   2 Dpp,i
(
 1  +   1
)
 +   2 Dpp,i
pi– pi-12  pi+1– pi-1   pi+1– pi   pi– pi-1  pi– pi-1pi

                   α3/Δt =    2 Dpp,i+1
pi+1– pi-1)  ( pi+1– pi)


Top of Page

|  Home  |  Manual  |  Models  |  Theory  |  Forms  |  Results  |  News  |  References  |  Contact us  |