等离子体是由大量带电粒子与电磁场相互耦合而形成的复杂物理系统,而等离子体的非线性、多尺度过程一般很难从理论上全面分析。随着近几十年计算机技术的发展,数值模拟已成为重要的物理研究工具,但是,对于多尺度物理过程的模拟仍然受限于有限的计算能力和全局累积的数值误差。当今世界最快计算机的峰值计算能力已达到了 120PFlops,在可预见的未来内,人类社会的计算能力必然会继续提高,这为等离子体大规模多尺度数值研究的发展提供了希望。然而,如何高效、合理地运用未来巨大的计算能力,并通过限制全局误差而获得正确可信的长期模拟结果,仍然是重要的研究课题。保结构算法基于严格的数学理论,通过保持物理系统的几何结构而获得长时间的稳定性,这对于多尺度、大规模计算的保真性有重要意义。本文围绕相对论性等离子体系统的保结构粒子算法展开,详述几类相对论性保结构粒子算法的构造与理论研究,介绍保结构算法在典型相对论多尺度物理过程(逃逸电子物理)大规模应用中得到的物理结果,并简介开放性保结构粒子算法软件平台开发方面的工作。算法研究方面,本文针对带电粒子相对论洛伦兹力系统,利用分裂法构造了相对论保体积算法;提出并研究了离散系统的洛伦兹协变性,总结了一种构造协变辛算法的一般性步骤,基于此构造了显式协变正则辛算法,通过与非协变、非保结构算法的对比,展示了协变辛算法在保证长期数值稳定性以及数值结果坐标独立性方面的优势,另外,协变辛算法的内禀能量变步长属性有利于提高模拟粒子能量变化过程的数值效率和精确度;基于带电粒子协变哈密顿量,利用生成函数法和分裂法,构造了适用于含时相对论粒子模拟的显式高阶辛算法;针对相对论性弗拉索夫-麦克斯韦系统,本文基于正则辛Particle-in-Cell(PIC)算法理论,构造了适用于高能量等离子体模拟的相对论性正则辛PIC算法。作为一种典型的相对论多尺度等离子体物理过程,托卡马克中的逃逸电子物理对于未来聚变堆的安全运行具有关键的意义。本文利用保体积算法对高能逃逸电子多尺度全轨道动力学行为进行了大规模数值研究,证明了回旋中心理论假设在逃逸电子过程的失效,并发现了一种剧烈的、源于托卡马克磁场环几何的无碰撞投掷角散射效应,这一效应导致了逃逸电子磁矩守恒的破坏和不同于回旋中心理论结果的能量极限规律。对于逃逸电子不同时间尺度的物理过程,本文给出了精细的物理图像,研究了初始相空间采样和托卡马克装置主要参数对逃逸电子长期动量演化结构、能量积分效应、能量平衡时间以及无碰撞投掷角散射的影响。针对ITER装置参数,本文应用神威·太湖之光超级计算对存在磁波纹扰动的逃逸电子物理过程进行了 107采样点、1011时间步的大规模统计模拟研究,发现磁波纹场对于约束逃逸电子束流和降低能量极限有明显的作用。为促进保结构粒子算法的发展与大规模应用,本文设计并实现了具有模块化、标准化和可扩展性的保结构算法软件平台——"Accurate Particle Tracor(APT)"。APT支持标准化I/O和多种并行方式,集成多种带电粒子几何算法,并已在神威太湖之光集群得到大规模应用。同时,APT作为软件平台,其可扩展脚本系统可以方便对源程序进行算法、物理模组等的扩展,方便整合不同领域的研究成果。