Implicit hydrodynamic simulations of stellar interiors
Maxime Viallet, Isabelle Baraffe, Cedric Mulet-Marquis, Emmanuel Leveque, Rolf Walder, Bernd Freytag, Christophe Winisdoerffer
我们报告的发展，隐式多维流体动力学代码的恒星演化。我们提出了两个测试案例相关的第一个科学目标的代码：在脉动恒星对流的模拟。一个现实的恒星模型上的第一个结果。
We report on the development of an implicit multi-D hydrodynamic code for stellar evolution. We present two test-cases relevant for the first scientific goal of the code: the simulation of convection in pulsating stars. First results on a realistic stellar model are also presented.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
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Towards a new generation of multi-dimensional stellar evolution models: development of an implicit hydrodynamic code
本文介绍了一个新的多维时间隐式代码的发展的第一步，致力于研究恒星内部的流体动力学过程。该代码解决了流体动力学方程在球面几何，是基于有限体积法。辐射输运被考虑在内的扩散近似。实现了现实的状态方程和不透明度，允许研究恒星内部的各种问题。我们详细描述的数值方法和各种标准测试进行验证的方法。我们目前的初步结果致力于恒星对流的描述。首先，我们在A型星模型的表面层对流进行了局部模拟。这种模拟是用来测试的代码，以解决恒星的条件下，并验证我们的结果的能力，因为它们可以比较类似的基于显式代码以前的模拟。然后，我们提出了一个全球性的模拟湍流对流运动的冷巨星信封，覆盖80%的半径的恒星结构。虽然我们的隐式计划是无条件稳定的，我们表明，在实践中，有一个限制的时间步长，防止流动在一个时间步长移动几个细胞。然而，在冷巨星模型中，我们达到了100的水力CFL数。我们还表明，我们能够处理大范围马赫数（10^-3 < Ms< 0.5）的流动，这在滞弹性方法中是不可能的。我们的第一个发展是为了证明，使用一个隐式的计划适用于一个恒星演化的背景下，是完美的，并提供有用的指导方针，以优化发展的隐式多维流体动力学代码。
A Jacobian-free Newton-Krylov method for time-implicit multidimensional hydrodynamics
这项工作是我们努力开发一个高效的隐式求解器的多维流体动力学的目的，在恒星内部的重要物理过程，如湍流对流和超调的继续。我们提出了一个隐式求解器，结果从一个雅可比自由牛顿-克雷洛夫方法和一个预处理技术的结合，适合于无粘，可压缩的恒星流体动力学方程。我们评估的精度和性能的求解器的二维和三维问题的马赫数下降到$10^{-6}$。虽然我们的应用程序涉及恒星内部的流动，该方法可以应用于一般的平流和/或扩散为主的流动。本文提出的方法开辟了新的途径，在三维建模的现实恒星内部允许的重要问题的研究恒星的结构和演化。
Numerical simulations of magneto-convection have greatly expanded our understanding of stellar interiors and stellar magnetism. Recently, fully compressible hydrodynamical simulations of full-star models have demonstrated the feasibility of studying the excitation and propagation of pressure and internal gravity waves in stellar interiors, which would allow for a direct comparison with asteroseismological measurements. However, the impact of magnetic fields on such waves has not been taken into account yet in three-dimensional simulations. We conduct a proof of concept for the realization of t…
Convective shells in the interior of Cepheid variable stars: overshooting models based on hydrodynamic simulations
本研究通过二维流体动力学模拟，提出基于极值统计和Gamma混合模型的新方法，揭示造父变星内部对流壳层的过冲结构，并提出扩散系数新形式与超混合层概念。
3D Radiation-Hydrodynamic Simulations Resolving Interior of Rapidly Accreting Primordial Protostar
本文通过3D辐射流体动力学模拟解析快速吸积原恒星的内部演化，发现膨胀原恒星因湍流快速旋转呈扁球体，表明需考虑自转以阐明超大质量恒星形成的真实3D演化。
An Exact Integration Scheme for Radiative Cooling in Hydrodynamical Simulations
提出了一种新的方案，将辐射冷却的流体动力学代码，围绕控制半离散冷却方程的精确积分。使用基准计算的基础上冷却下游的辐射冲击，我证明了新的计划优于传统的显式和隐式方法的精度，同时保持竞争力的执行速度。
General Implicit Runge-Kutta Integrators for Multifluid Gas-Dust Aerodynamic Drag
本文提出通用隐式龙格-库塔积分器GIRK，通过解析求解阻力加速实现线性复杂度，兼容Strang分裂，在DUSTYBOX等基准上验证了精度与扩展性，适用于多尘埃颗粒尺寸的流体模拟。
Benchmarking the Multi-dimensional Stellar Implicit Code MUSIC
我们提出了一个数值基准研究的多维恒星隐式代码（MUSIC）的基础上广泛适用的二维和三维可压缩流体力学问题的恒星内部。MUSIC是一种隐式大涡模拟代码，其使用隐式时间积分，作为无雅可比牛顿Krylov方法实现。一个基于物理的预处理技术，可以调整到目标变化的物理是用来提高性能的求解器。用于此基准研究的问题包括瑞利-泰勒和开尔文-亥姆霍兹不稳定性，以及泰勒-格林涡的衰减。此外，我们展示了一个测试的流体静力平衡，在恒星环境中，这是占主导地位的辐射效应。在这种情况下，证明了预处理技术的灵活性。这项工作的目的是弥合之间的差距，通常使用的流体动力学测试问题的数值方法和恒星内部的复杂流动的发展。一系列的多维测试进行和分析。这些测试用例中的每一个都通过简单的标量诊断进行分析，目的是实现直接的代码比较。由于所进行的测试没有解析解，我们通过与包括ATHENA和PENCIL代码在内的既定代码进行比较来验证MUSIC。MUSIC既能再现已建立和广泛使用的代码的行为，也能再现理论预测的预期结果。该基准研究总结了一系列描述MUSIC代码发展的论文，并为未来的应用提供了信心。
Comparison of different nonlinear solvers for 2D time-implicit stellar hydrodynamics
时间隐式格式是有吸引力的，因为它们允许的数值时间步长比表征时间显式方法的Courant-Friedrich-Lewy准则所允许的要大得多。然而，这种优势是有代价的：在每个时间步长都需要求解非线性方程组。在这项工作中，非线性系统的结果从离散的流体动力学方程与Crank-Nicholson格式。我们比较了不同方法的成本，基于牛顿-拉夫森迭代，来解决这个非线性系统，并对时间显式方案的性能进行基准测试。由于我们的总体科学目标是模拟恒星内部，我们使用两个现实的模型作为测试案例的红巨星和年轻的太阳的对流信封。着重于2D模拟，我们表明，最好的性能与拟牛顿方法提出的Broyden。另一个重要的问题是隐式计算的准确性。通过对一个理想化问题的研究，即均匀流对单个涡旋的平流问题，我们指出了两个方面：i）非线性求解器必须足够精确以解决数值离散的截断误差; ii）时间步长必须足够小以解决涡旋的平流问题。我们表明，满足这两个条件，我们的隐式方法表现出类似的精度时间显式计划，具有较低的值的时间步长和较高的计算成本。最后，我们在结论中讨论了这些方法对全隐式三维计算的适用性。
Context. Multidimensional hydrodynamic simulations of convection in stellar interiors are numerically challenging, especially for flows at low Mach numbers. Methods. We explore the benefits of using a low-Mach hydrodynamic flux solver and demonstrate its usability for simulations in the astrophysical context. The time-implicit Seven-League Hydro (SLH) code was used to perform multidimensional simulations of convective helium shell burning based on a 25 M$_\odot$ star model. The results obtained with the low-Mach AUSM$^{+}$-up solver were compared to results when using its non low-Mach variant …
A Fast second-order solver for stiff multifluid dust and gas hydrodynamics
本文提出MDIRK多流体二阶对角隐式龙格-库塔方法，利用O(N)解析解替代O(N)^3矩阵求逆求解刚性动量源项，显著降低计算成本，并通过多种流体动力学测试验证其守恒性与收敛性。
Supermassive stars are Population III stars with masses exceeding $10^4\,M_{\odot}$ that could be the progenitors of the first supermassive black holes. Their interiors are in a regime where radiation pressure dominates the equation of state. In this work, we use the explicit gas dynamics code PPMstar to simulate the hydrogen-burning core of a $10^4\,M_{\odot}$ supermassive main-sequence star. These are the first 3D hydrodynamics simulations of core convection in supermassive stars. We perform a series of ten simulations at different heating rates and on Cartesian grids with resolutions of $76…
Coupling 1D stellar evolution with 3D-hydrodynamical simulations on-the-fly I: A New Standard Solar Model
标准的一维恒星演化模型不能正确地再现具有对流包层的恒星最外层的结构。这一直是一个长期存在的问题，在恒星模拟影响预测的演化路径和归因的振荡频率，并间接偏置的许多量来自恒星演化计算。我们提出了一种新的方法，主要是消除这些结构缺陷的附加平均3D模拟恒星信封。与以前的尝试不同，我们在整个演化过程中的每个时间步都采用了来自3D模拟的完整结构。为此，我们在预先计算的3D模拟网格中进行插值，并使用所得结构作为边界条件，以便在每个时间步求解1D内部的恒星结构方程。我们的方法提供了一个连续的过渡，在许多数量从内部到强加的插值3D表面层。我们提出了一个太阳能校准模型，并表明所获得的表面层的结构可靠地模仿了目前太阳的基础3D模拟。此外，我们进行了日震分析，表明我们的方法主要消除了模型频率和观测到的p-模式频率之间的差异的结构贡献。
The Sun's meridional circulation and interior magnetic field
迄今为止，没有自洽的数值模拟的太阳内部已经成功地再现了观测到的薄的太阳速跃层，和持久的均匀旋转下it.Although它是已知的，均匀旋转可以解释的存在一个全球规模的限制磁场，数值模拟迄今未能产生任何解决方案，这样的字段仍然限制向外扩散。我们认为，问题在于这些数值模拟已经进行了参数的选择。我们构建了一个简单的分析磁流体动力学模型的太阳内部，并确定了几个不同的参数制度。对于现实的太阳参数值，我们的结果是广泛的协议与Gough & McIntyre的速跃层模型。在这种情况下，在对流区底部驱动的涡旋流具有足够的幅度来阻止内部磁场扩散。对于现有的数值模拟中使用的参数值，另一方面，我们发现，双曲流动显着较弱，我们认为，无法限制的内部字段。我们提出了一种方法来选择参数值在未来的数值模型。
Our ability to predict the structure and evolution of stars is in part limited by complex, 3D hydrodynamic processes such as convective boundary mixing. Hydrodynamic simulations help us understand the dynamics of stellar convection and convective boundaries. However, the codes used to compute such simulations are usually tested on extremely simple problems and the reliability and reproducibility of their predictions for turbulent flows is unclear. We define a test problem involving turbulent convection in a plane-parallel box, which leads to mass entrainment from, and internal-wave generation …
Recent Advances in Modeling Stellar Interiors
恒星内部建模的进展受到来自大规模调查和高精度光度和光谱观测的新数据的推动。在这里，我们集中在正常演化阶段的单星，我们不会讨论在模拟恒星形成，相互作用的双星，超新星，或中子星的许多进展。我们简要回顾一下：1）更新恒星模型的输入物理; 2）二维和三维演化和流体动力学模型的进展; 3）从振荡数据中获得的见解，用于推断恒星内部结构和验证模型预测（星震学）。最后，我们强调几个突出的问题，例如，混合伽马Dor/三角洲Sct恒星脉动的驱动机制，在明亮的蓝色变量中看到的巨大爆发的原因，如eta Car和P Cyg，以及太阳丰度问题。
Stellar hydrodynamics caught in the act: Asteroseismology with CoRoT and Kepler
天文地震研究，特别是基于CoRoT和开普勒空间飞行任务的恒星振荡数据，为研究恒星内部的性质提供了独特的可能性。这构成了研究动力学现象对恒星结构和演化影响的全新方法。重要的例子是对流区的范围和相关的混合以及恒星旋转的直接和间接影响。此外，恒星振荡本身也表现出非常有趣的动力学行为。在这里，我们讨论的例子，从这样的调查中获得的结果，在赫兹-罗素图。
Simulating 3-D Stellar Hydrodynamics using PPM and PPB Multifluid Gas Dynamics on CPU and CPU+GPU Nodes
讨论了模拟深恒星内部三维流体动力学的特殊计算挑战，并描述了数值算法的响应。最近的模拟结果进行了规模的NSF的蓝水机在伊利诺伊大学，特别关注他们解决的计算挑战。未来的工作前景使用GPU加速节点，如能源部的新首脑会议机器在橡树岭国家实验室的描述，重点是数值算法的住宿，我们认为这将是必要的。
We present a numerical code for radiation hydrodynamics designed as a module for the freely available PLUTO code. We adopt a gray approximation and include radiative transfer following a two-moment approach by imposing the M1 closure to the radiation fields. This closure allows for a description of radiative transport in both the diffusion and free-streaming limits, and is able to describe highly anisotropic radiation transport as can be expected in the vicinity of an accreting planet in a protoplanetary disk. To reduce the computational cost caused by the timescale disparity between radiation…
Numerical Simulations Confirm Wave-Induced Shear Mixing in Stellar Interiors
本文通过二维赤道流体动力学与示踪粒子模拟，证实内部重力波引起的剪切在低剪切率下仍能驱动恒星内部混合，且结果与两种经典理论预测一致，为恒星演化模型提供了可靠的波混合参数化依据。
Simulations of Global Solar Convection with a Fully Compressible CHORUS++ Code
利用完全可压缩CHORUS++代码模拟太阳对流，分析早期阶段的流体动力学演化。
Angular Momentum Transport in Stellar Interiors
恒星在出生和死亡之间会失去大量的角动量，这意味着将其从核心转移到表面的有效过程是活跃的。空间星震学提供了1000多颗低质量和中等质量恒星的内部旋转速率，揭示了：1）在核心氢和核心氦燃烧阶段，单个恒星几乎均匀旋转; 2）在红巨星阶段，恒星核心的旋转速度比包层快10倍; 3）恒星燃烧氦核的角动量与白矮星的角动量一致。观测显示，当恒星有对流核心时，核心角动量会大幅减少。目前的角动量输运理论无法解释这一点。我们建议用数据驱动的方法改进理论，从而从多维（磁）流体动力学模拟和理论考虑中得出的角动量处方不断地对现代观测进行测试。TESS和PLATO空间任务有可能获得大样本恒星的内部旋转，包括双星和星团中的大质量和贫金属恒星。这将为改进理论和模拟提供强大的观测约束。
Modelling low Mach number stellar hydrodynamics with MAESTROeX
由于声学时间步长的限制，使用传统的可压缩流体动力学代码来模拟恒星内部的长时间对流是非常具有挑战性的。这些流动中有许多处于低马赫数状态，这使我们能够利用声学和平流时间尺度之间的关系来开发计算效率更高的方法。MAESTROeX是一个开源的低马赫数恒星流体动力学代码，允许采取更大的时间步长，因此使系统能够在更长的时间内建模。这对于大质量旋转恒星核心坍缩前的对流问题尤为重要。为了充分捕捉动态，有必要在许多旋转周期内以高分辨率对这些系统进行三维建模。我们概述了MAESTROeX的当前功能，描述了正在进行的纳入旋转效果的工作，并讨论了我们如何优化代码以在GPU上运行。
Our understanding of stellar structure and evolution coming from one-dimensional (1D) stellar models is limited by uncertainties related to multi-dimensional processes taking place in stellar interiors. 1D models, however, can now be tested and improved with the help of detailed three-dimensional (3D) hydrodynamics models, which can reproduce complex multi-dimensional processes over short timescales, thanks to the recent advances in computing resources. Among these processes, turbulent entrainment leading to mixing across convective boundaries is one of the least understood and most impactful.…
Hydrodynamic simulations of pulsar glitch recovery
闪变是中子星自旋频率的突然跳跃，人们相信它起源于中子星的超流体内部。通过求解由粘性质子-电子等离子体和非粘性中子凝聚体组成的双组分超流体在球库埃特几何条件下的运动方程，模拟了模型中子星中的超流体流动.我们研究我们的模型中子星的响应，以三种不同的方式引起的毛刺：由内，外边界的自旋频率的瞬时变化，并通过瞬时重新耦合的流体成分在散装。所有模拟都是在强相互摩擦和弱相互摩擦的情况下进行的。据发现，一个毛刺的最大尺寸，起源于散装减少的相互摩擦加强。还发现，相互摩擦决定了频率跳变的分数，这是后来恢复，一个被称为“愈合参数”的量。这些行为可以解释一些观察到的毛刺恢复的多样性。
The shape of convection in 2D and 3D global simulations of stellar interiors
本文利用MUSIC比较四类恒星的二维与三维全局模拟，评估体积、质量通量和对流通量填充因子，并提出穿透参数与羽流相互作用参数以捕捉对流边界附近的维度差异。
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