光滑粒子磁流体力学IV -使用矢量势

Smoothed particle magnetohydrodynamics

Smoothed particle magnetohydrodynamics has reached a level of maturity that enables the study of a wide range of astrophysical problems. In this review, the numerical details of the modern SPMHD method are described. The three fundamental components of SPMHD are methods to evolve the magnetic field in time, calculate accelerations from the magnetic field, and maintain the divergence-free constraint on the magnetic field (no monopoles). The connection between these three requirements in SPMHD will be highlighted throughout. The focus of this review is on the methods that work well in practice, …

Phantom: A smoothed particle hydrodynamics and magnetohydrodynamics code for astrophysics

We present Phantom, a fast, parallel, modular and low-memory smoothed particle hydrodynamics and magnetohydrodynamics code developed over the last decade for astrophysical applications in three dimensions. The code has been developed with a focus on stellar, galactic, planetary and high energy astrophysics and has already been used widely for studies of accretion discs and turbulence, from the birth of planets to how black holes accrete. Here we describe and test the core algorithms as well as modules for magnetohydrodynamics, self-gravity, sink particles, H_2 chemistry, dust-gas mixtures, phy…

光滑粒子磁流体动力学中矢量势的基于积分的方法

An Integral-based Approach for the Vector Potential in Smoothed Particle Magnetohydrodynamics

本文为光滑粒子磁流体动力学提出了一种基于积分形式的磁矢量势时间演化新方法，虽实现了伽利略不变性，但测试表明其在连续极限下无法求解MHD方程，最终结论为该新公式不可行。

非常陡密度梯度中的稳定光滑粒子磁流体动力学

Stable smoothed particle magnetohydrodynamics in very steep density gradients

光滑粒子磁流体动力学（SPMHD）的方程，即使有各种修正不稳定性，迄今提出的，已被观察到是不稳定的，当一个非常陡峭的密度梯度是必要的结合可变平滑长度形式主义。在这里，我们更详细地考虑了LBP 2015中对SPMHD方程所做的修改，这些修改通过用平均平滑长度项替换感应力和各向异性力方程中的平滑长度来解决这种不稳定性。然后，我们探讨了平均使用的选择和比较的影响测试“缸在一个盒子”的问题和崩溃的磁化分子云核心。我们发现，除了一些良性的数值效应在低分辨率的二次平均值，形式主义是强大的平均值的选择，但在复杂的模型中，它是必不可少的平均应用到两个方程，特别是，所有四个平均考虑表现出类似的守恒性质。这种改进的形式主义允许任意小的下沉粒子和字段的几何形状进行探索，极大地扩展了可以使用SPMHD建模的天文问题的范围。

光滑粒子磁流体力学中人工电阻率公式的研究

Investigating prescriptions for artificial resistivity in smoothed particle magnetohydrodynamics

在数值模拟中，人工项被应用到发展方程的稳定性。为了证明它们的有效性，这些术语在测试问题中进行了彻底的测试，其中结果是众所周知的。然而，它们很少在高分辨率的生产质量模拟中进行测试，因为它们与过多的物理和数值算法相互作用。我们测试了三个人工双折射率在Orszag-Tang涡和恒星形成模拟。从Orszag-Tang漩涡，价格等。（2017）人工电阻率是最小的耗散，因此捕获密度和磁性特征;在恒星形成算法中，每个人工电阻率算法与下沉粒子的相互作用不同，产生各种结果，包括气泡，致密盘和迁移下沉粒子。恒星形成模拟表明，重要的是要依靠物理电阻率，而不是人工电阻率的收敛。

光滑粒子流体动力学：Turbulence和MHD

Smoothed Particle Hydrodynamics: Turbulence and MHD

本文讨论了光滑粒子流体动力学（SPH）方法在星际介质超声速湍流模拟中的应用，并对SPH方法求解磁流体动力学（MHD）方程的最新算法进展作了介绍。使用高分辨率计算（高达1.34亿个粒子），我们发现在一系列测量上与基于网格的结果非常一致，包括速度场和密度加权速度rho^（1/3）v的功率谱斜率，后者显示出Kritsuk等人（2007）提出的类似于Kolmogorov的k^-5/3标度。我们还发现概率分布函数（PDF）和结构函数的统计数据非常一致，独立地证实了Schmidt，Federrath和Klessen（2008）发现的标度。在光滑粒子磁流体动力学（SPMHD），我们最近浪费了大量的时间和精力调查矢量势作为替代欧拉势制定，在最后得出结论，使用矢量势甚至比标准（基于B场）SPMHD方法更严重的问题。

平滑粒子磁流体力学中降低电阻率的开关

A switch to reduce resistivity in smoothed particle magnetohydrodynamics

平滑粒子磁流体动力学模拟中包括人工电阻率，以捕获磁场中的冲击和不连续性。在这里，我们提出了一种新的方法，用于调整施加的电阻率的强度，使冲击被捕获，但远离冲击的磁场的耗散被最小化。我们的方案利用磁场梯度作为冲击指示器，设置α_B = h |gradB| / |B|，这样电阻率只在存在强不连续性的地方才被打开。这种方法的优点是电阻率参数不依赖于绝对场强。新的开关是基准上的一系列冲击管测试证明其能力捕捉冲击正确。它与Price & Monaghan（2005）提出的先前开关进行了比较，表明它导致场的耗散较低，特别是它成功地捕获了阿尔文速度远小于声速的区域中的冲击（即，当磁场非常弱时）。它也更简单。我们还表明，我们最近的约束发散清洗算法没有困难的激波管测试，与其他实现。

Smoothed particle magnetohydrodynamics with the geometric density average force expression

We present a novel method of magnetohydrodynamics (MHD) within the smoothed particle hydrodynamics scheme using the Geometric Density average force expression (GDSPH). GDSPH has recently been shown to reduce the leading order errors and greatly improve the accuracy near density discontinuities, eliminating surface tension effects. Here, we extend the study to investigate how SPMHD benefits from this method. We implement ideal MHD in the Gasoline2 and Changa codes with both GDSPH and traditional SPH (TSPH) schemes. An constrained hyperbolic divergence cleaning scheme is employed to control the …

光滑粒子磁流体动力学约束双曲发散清洗

Constrained Hyperbolic Divergence Cleaning for Smoothed Particle Magnetohydrodynamics

我们提出了一个约束制定Dedner等人的双曲/抛物线发散清洗计划，用于执行\nabla \dot B = 0约束的光滑粒子磁流体动力学（SPMHD）模拟。我们施加的约束是，能量被删除必须保存或耗散，这样的计划是保证减少总的磁能。这表明，需要使用共轭数值运算符来评估\nabla \dot B和\nabla的SPMHD清洗方程。与Price & Monaghan（2005）的早期实现相比，所得到的格式在密度跳跃和自由边界处是稳定的。二维阻尼参数的最佳值为σ = 0.2-0.3，三维阻尼参数的最佳值为σ = 0.8-1.2。有了这些参数，我们的约束哈密顿公式被发现提供了一个有效的手段，加强发散约束的SPMHD，通常保持平均值的h| \nabla \dot B|/ |B|的电阻率提高到0.1- 1%，比人工电阻率好一个数量级，而没有物理场中的相关耗散。此外，当应用到现实的，3D模拟，我们发现一个改进的动量守恒与相应的改善数值稳定性在基本上为零的额外的计算费用高达两个数量级。

用于星系与宇宙结构形成模拟的平滑粒子磁流体动力学

Smoothed particle magnetohydrodynamics for simulations of galaxy and cosmic structure formation

本文提出新颖的宇宙学平滑粒子磁流体动力学公式，实现于开源代码SWIFT，通过改进正则化技术提升稳定性，在三个挑战性天体物理应用中展现出良好性能，首次实现EAGLE模型与磁流体求解器的耦合。

用光滑粒子磁流体力学模拟天体物理磁场

Simulating Astrophysical Magnetic Fields with Smoothed Particle Magnetohydrodynamics

本文提出了改进光滑场磁流体动力学（SPMHD）中磁场处理的数值方法，并进行了试验。第二章是SPMHD的综述。在第三章中，我们发展了一个双曲/抛物混合格式，它可以消除来自磁场的发散误差。平均发散误差是一个数量级较低的所有测试情况下考虑，并允许稳定的模拟磁化分子云核心的引力坍缩。可以通过显式地增加双曲线波速度或通过在时间步之间循环清洁方程来改善清洁的有效性。在后者中，可以实现DivB=0。第四章研制了一种开关，以减少人工电阻率对磁场的损耗。与文献中现有的开关相比，这导致激波管测试中更尖锐的冲击轮廓，更低的磁能整体耗散，重要的是，能够在高度超阿尔文制度中捕获磁冲击。第5章比较了这些数值方法与基于网格的MHD方法（使用Flash代码）在驱动，等温，超音速湍流中的小尺度发电机放大磁场的模拟。这两个代码以指数方式放大的磁能在一个恒定的速率，虽然SPMHD显示分辨率的依赖性，从缩放的数值耗散项。时间平均饱和磁谱具有相似的形状，并且两个代码具有对数正态的磁场强度的PDF，其随着磁场饱和而变得不平衡。我们得出的结论是，SPMHD能够可靠地模拟小尺度磁场的发电机放大。第六章总结了全文，并对自激磁流体在二维剪切盒实验中激活磁转动不稳定性进行了初步的研究。

光滑粒子流体力学和磁流体力学

Smoothed Particle Hydrodynamics and Magnetohydrodynamics

本文对光滑粒子流体动力学和磁流体动力学的理论和应用进行了综述和介绍。首先，我们给出了一个基本的SPH的基础，显示如何运动和能量方程可以自洽地从密度估计。然后，我们将展示如何解释这些方程使用基本的SPH插值公式，并突出SPH和其他粒子方法之间的方法的细微差别。在这样做的时候，我们还批评了几个“城市神话”关于SPH，特别是这样的想法，即一个人可以简单地增加“邻居数”更慢，比粒子总数，以获得收敛。我们还讨论了数值不稳定性的起源，如配对和拉伸不稳定性。最后，我们就如何解决SPMHD的三个主要问题：消除拉伸不稳定性，制定耗散项的MHD冲击和加强对粒子的发散约束，我们给出了实际的建议，我们在这方面的发展现状。本文附带的是NDSPMHD SPH代码的首次公开发布，这是一个1，2和3维代码，设计用于SPH/SPMHD算法的测试平台，可用于测试许多想法，并用于运行本文中包含的所有数值示例。

恒星形成中的磁场和Turbulence的光滑粒子流体动力学研究

Magnetic fields and Turbulence in Star Formation using Smoothed Particle Hydrodynamics

首先，我们给出了一个历史的概述，试图将磁场到光滑粒子流体动力学方法通过求解磁流体动力学（MHD）方程，导致一个诚实的评估目前的最先进的限制，以执行现实的计算恒星形成过程。其次，我们讨论了最近的比较结果，我们已经进行了模拟驱动，超音速湍流与SPH和欧拉技术。最后，我们给出了超音速湍流中密度方差与马赫数之间关系的一些新结果，发现σ ^2_{ln rho} = ln（1 + b^2 M^2），b=0.33，直到马赫数~20，在较低的马赫数下与其它数值结果一致（Lemaster和Stone 2008），但与金牛座和IC 5146中sigma_rho和M的观测约束不一致。

一种用于在光滑粒子磁流体动力学中强制执行无散度约束的伴随投影公式

An Adjoint Projection Formulation for Enforcing the divergence-free Constraint in Smoothed Particle Magnetohydrodynamics

提出一种投影方法，通过求解与离散散度算子相关的椭圆投影问题来校正磁场，使用体积加权度量的伴随梯度实现能量最小化修正，在二维和三维测试中有效控制散度误差。

Meshless Methods for Magnetohydrodynamics with Vector Potential

We present a meshless method for magnetohydrodynamics by evolving the vector potential of magnetic fields. A novel scheme and numerical techniques are developed to restrict the divergence of magnetic field, based on the Meshless Finite Mass/Volume with HLLD Riemann solver for conservative flux calculation. We found the magnetic field could be stabilized by a proper smoothing process and so the long-term evolution becomes available. To verify the new scheme, we perform the Brio-Wu shock tube, 2D and 3D Orszag-Tang vortex and Magnetorotational Instability test problems. Our results suggest that …

具有磁流体动力学和矢量位的轨道平流

Orbital advection with magnetohydrodynamics and vector potential

轨道平流是磁盘模拟中的一个重要瓶颈，当与磁流体动力学结合使用时，这是一个特别棘手的瓶颈。我们发展了一种适用于含磁位感应方程的轨道平流算法。电动势被分为平流和剪切项，我们发现，我们不需要一个平流规范，因为解决轨道平流隐含排除了剪切项取消平流项。我们证明和演示的三阶时间精度的计划。该算法也适用于非磁性问题。基准结果（流体动力学）行星盘相互作用和磁旋转不稳定性的再现。我们包括建设和稳定耗散（或高频滤波器）产生实际效果所需的选择的详细说明。该方案是自洽的，准确的，优雅的，在其简单性，使其特别有效地在简单的有限差分方法。作为这项工作的结果，该算法被纳入了公共版本的《生物多样性守则》，可供社区使用。

用计算梯度的积分方法改进光滑粒子流体力学

Improving smoothed particle hydrodynamics with an integral approach to calculating gradients

在本文中，我们开发和测试一个完全保守的SPH计划的基础上，张量制定，可应用于模拟天体物理系统。在所提出的计划中，衍生物计算的积分表达式，导致张量（而不是矢量）的梯度估计，并减少到标准的制定在连续极限。新的配方改善了物理量的插值，导致一组保守的方程，类似于那些标准的SPH。所得到的方案进行了验证，使用各种众所周知的测试，所有这些都在二维模拟。我们还讨论了应用所提出的张量方法，天体物理模拟的稳定性的太阳一样，在三维计算。

多核/众核结构下光滑粒子流体动力学算法的性能优化

Performance Optimisation of Smoothed Particle Hydrodynamics Algorithms for Multi/Many-Core Architectures

我们描述了一个战略的代码现代化的小工具，广泛使用的社区代码计算天体物理学。这项工作的重点是节点级性能优化，针对当前的多/众核英特尔架构。我们确定和隔离的样本代码内核，这是一个典型的光滑粒子流体动力学（SPH）算法的代表。代码修改包括线程并行优化，将数据布局更改为阵列结构（SoA），自动矢量化和粒子分选算法改进。我们在英特尔至强R（Ivy Bridge上的$2.6 \times$）和至强融核TM（Knights Corner上的$13.7 \times$）系统上都获得了更短的执行时间和更高的线程可扩展性。对优化代码的前几次测试使$19.1 \times$在第二代Xeon Phi（Knights Landing）上的执行速度更快，从而证明了所设计的优化解决方案对即将推出的架构的可移植性。

Athena++ 中的磁流体动力学-粒子网格模块：实现与代码测试

The Magnetohydrodynamic-Particle-In-Cell Module in Athena++: Implementation and Code Tests

本文介绍集成于 Athena++ 的 MHD-PIC 模块，通过流体背景与 PIC 粒子耦合、向量化优化、自适应网格及 δf 方法，实现宇宙线多尺度动理学模拟并验证其有效性。