High-order Magnetohydrodynamics for Astrophysics with an Adaptive Mesh Refinement Discontinuous Galerkin Scheme
现代天体物理模拟的目标是准确地模拟不断增长的物理过程，包括流体与磁场的相互作用，在日益严格的性能和可扩展性的要求下，由当今的趋势，在计算架构。非连续Galerkin方法最近在天体物理学中获得了一些牵引力，因为它们的任意高阶和可控的数值扩散，结合高性能计算的吸引人的特性。在本文中，我们描述和测试我们的实施不连续Galerkin（DG）计划的理想磁流体力学的AREPO-DG代码。我们的DG-MHD方案依赖于一个基于欧拉八叉树的AMR网格的细胞内的勒让德多项式的解决方案的模态扩展。磁场的无发散约束的强制执行使用两个不同的细胞为中心的计划之一：要么是一个Powell型计划的基础上非保守源项，或双曲线发散清洗方法。鲍威尔方案依赖于每个单元内的局部无发散向量多项式的基础来表示磁场。实施限制规定以确保非振荡和正解。我们表明，由此产生的计划是准确和强大的：它可以实现高阶和低数值扩散，以及准确地捕捉强MHD冲击。此外，我们表明，我们的计划表现出一些有吸引力的性质的天体物理模拟，如较低的平流误差和更好的伽利略不变性，在降低分辨率，以及更准确地捕捉勉强解决流功能。我们讨论了我们的实施前景，DG方法一般，可扩展的天体物理模拟。
2019-02-07 astro-ph.IM physics.comp-ph
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。
2015-05-18 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Smoothed particle magnetohydrodynamics with the geometric density average force expression
提出了一种基于几何密度平均力表达式（GDSPH）的磁流体力学（MHD）方法。GDSPH最近被证明可以减少主阶误差，并大大提高密度不连续附近的精度，消除表面张力的影响。在这里，我们扩展研究，探讨如何SPMHD从这种方法中受益。我们实现了理想的MHD在Gasoline 2和Changa代码与GDSPH和传统的SPH（TSPH）计划。该方法采用双曲型发散清理方案控制发散误差，并采用耗散最小的人工电阻率开关。我们测试的代码与一个大套件的MHD测试，并表明，在所有的问题的结果是可比的或改进以前的SPMHD实现。虽然GDSPH和TSPH在相对平滑或高度超声速流中表现良好，但GDSPH在存在强间断和大动态尺度时表现出显著的改进。特别是，当应用到一个天体物理问题的磁化云的崩溃，GDSPH现实地捕捉到的磁塔和喷气发动机在弱场制度的发展，并表现出快速收敛的分辨率，而TSPH未能做到这一点。我们的新方法显示出定性相似的结果，从无网格有限质量/体积（MFM/MFV）计划内的Gizmo代码，同时保持计算成本较低。
2020-07-30 astro-ph.IM
A high-order weighted finite difference scheme with a multi-state approximate Riemann solver for divergence-free magnetohydrodynamic simulations
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology（日本海洋地球科学技术机构）；Hiroshima University（广岛大学）；Chiba University（千叶大学）
本文提出了一种保守有限差分方案，用于理想磁流体动力学模拟，该方案实现了高阶精度、激波捕捉以及磁场无散条件。通过高阶非线性加权平均插值得到点处的物理变量，并在中点处利用多状态近似黎曼求解器计算数值通量，采用高阶线性中心差分近似空间导数以更新变量，同时定义了用于约束传输（CT）方法的交错网格点上的磁场和电场。本文提出了一种新的CT变体，其中交错电场与一维黎曼求解器一致，交错磁场则通过设计的高阶有限差分表示保持无散。通过各种基准测试验证了该方案的性能，并详细讨论了插值方法、黎曼求解器选择及无散条件处理对数值解质量的影响。
2019-04-16 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Numerical MHD Codes for Modeling Astrophysical Flows
介绍了一个基于Miyoshi和Kusano（2005）求解器的Godunov型磁流体动力学（MHD）程序，该程序可用于求解各种天体物理流体动力学和MHD问题。能量方程是熵守恒的形式。该代码已在几种不同的坐标系上实现：2.5维轴对称圆柱坐标系、2维笛卡尔坐标系、2维平面极坐标系和全3维圆柱坐标系。粘度和扩散率的代码中实现控制吸积率在磁盘和磁盘的物质通过磁场线的渗透率。该代码已被用于一些不同的天体物理问题的数值研究，其中几个例子。
2015-07-31 astro-ph.GA astro-ph.IM
Physical Constraint Preserving Higher Order Finite Volume Schemes for Divergence-Free Astrophysical MHD and RMHD
针对天体物理中极端条件下高阶MHD/RMHD模拟易崩溃的问题，提出结合新型二维黎曼求解器的物理约束保持高阶有限体积格式，可实现磁场无散演化，精度达标且计算成本增加少。
2025-06-12 astro-ph.HE astro-ph.IM cs.NA
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。
2023-04-20 astro-ph.GA astro-ph.HE astro-ph.IM
A moving mesh unstaggered constrained transport scheme for magnetohydrodynamics
提出了一种在运动网格上求解三维理想磁流体动力学方程的约束输运（CT）算法，该算法保持了磁场的无发散条件，达到了机器精度。我们的CT方案使用磁矢势的非结构化表示，使数值方法变得简单且计算效率高。该方案在移动网格代码Arepo中实现。我们证明了性能的方法与模拟驱动MHD湍流，磁化盘星系，和宇宙体积与原始磁场。我们将这些实验的结果与先前实施的Powell发散清洗方案进行比较。虽然CT和鲍威尔技术在理想化的测试问题中产生类似的结果，但在更具有代表性的天体物理流的情况下，可以看到一些差异。在湍流模拟中，Powell清洗方案人为地增加了平均磁场，而CT保持了理想MHD的守恒量。在盘模拟中，CT给出较慢的磁场增长速率并且饱和到湍流动能和磁能之间的均分，而Powell清洁产生动态主导磁场。这种差异已被观察到在自适应网格细化代码与CT和光滑粒子流体动力学代码与发散清洗。在宇宙学模拟中，两种方法都给出了类似的磁放大，但鲍威尔表现出更多的细胞级噪声。CT方法一般比发散清理技术更准确，并且当耦合到移动网格时，可以利用自动空间/时间自适应和减少平流误差的优点，从而改进天体物理MHD模拟。
2016-08-08 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.comp-ph
Smoothed particle magnetohydrodynamics
光滑粒子磁流体动力学已经达到了一个成熟的水平，使广泛的天体物理问题的研究。在这篇综述中，现代SPMHD方法的数值细节进行了描述。SPMHD的三个基本组成部分是在时间上演化磁场、从磁场计算加速度以及保持对磁场的无发散约束（无单极子）的方法。SPMHD中这三个要求之间的联系将在整个过程中得到强调。本综述的重点是在实践中运作良好的方法，并讨论为什么它们运作良好，而其他方法不。将讨论数值不稳定性，以及克服它们的策略。非理想的MHD效应的列入将被提交。将讨论进一步改进的可能途径的前景。
2023-11-22 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
The Athena++ Adaptive Mesh Refinement Framework: Design and Magnetohydrodynamic Solvers
设计和实现了一个新的自适应网格细化（AMR）计算框架。它主要用于天体物理学流体动力学的应用，但其灵活的模块化设计使其能够用于各种物理学。该框架适用于笛卡尔和曲线坐标系中的均匀和非均匀网格。它采用了一种基于简单设计的动态执行模型，称为“任务列表”，通过重叠通信和计算来提高并行性能，简化了各种物理的包含，甚至可以在计算的不同区域实现涉及不同物理的多物理模型。我们描述了在这个框架中实现的非相对论和相对论磁流体力学（MHD）的物理模块。这些模块采用了最初为Athena MHD代码开发的成熟和强大的算法，并结合了新的扩展：支持曲线坐标，高阶时间积分器，更现实的物理学，如一般状态方程，以及可以与超级时间步进算法集成的扩散项。这些模块表现出出色的性能和可扩展性，在超过50万个线程上具有超过80%的并行效率。源代码已公开。
2020-05-13 astro-ph.IM physics.comp-ph
Phantom: A smoothed particle hydrodynamics and magnetohydrodynamics code for astrophysics
我们提出的幻影，一个快速，并行，模块化和低内存的平滑粒子流体动力学和磁流体动力学的代码开发在过去十年的天体物理应用在三维空间。该代码的开发重点是恒星、银河系、行星和高能天体物理学，并已广泛用于研究吸积盘和湍流，从行星的诞生到黑洞如何吸积。在这里，我们描述和测试的核心算法，以及模块的磁流体力学，自引力，下沉粒子，H_2化学，尘埃气体混合物，物理粘度，外力，包括众多的银河系的潜力，以及实现的Lense-Thirring岁差，坡印廷-罗伯逊阻力和随机湍流驱动。Phantom特此公开。
2018-06-15 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Smoothed particle magnetohydrodynamics for simulations of galaxy and cosmic structure formation
Lorentz Institute for Theoretical Physics, Leiden University（莱顿大学洛伦兹理论物理研究所）；Leiden Observatory, Leiden University（莱顿大学莱顿天文台）；Instituto de Astronomía teórica y experimental-Conicet（理论与实验天体物理学研究所-阿根廷国家科学研究委员会）；Observatorio Astronómico de Córdoba, Universidad Nacional de Córdoba（科尔多瓦天文台，科尔多瓦国立大学）
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。
2026-08-10 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Non-ideal magnetohydrodynamics on a moving mesh
在某些天体物理系统中，通常采用的理想磁流体力学（MHD）近似失效。在这里，我们介绍了新的显式和隐式的数值方案的欧姆电阻率项的动网格代码AREPO。我们包括这些非理想的条款两个MHD技术：鲍威尔8波形式主义和约束运输计划，它演变的细胞为中心的磁矢势。我们测试我们的实现对日益复杂的问题，如一维和二维扩散问题，以及渐进和静止的阿尔文波的演变。在这些测试问题上，我们的实现将解析解恢复到二阶精度。作为首次应用，我们研究了磁化等离子体中的撕裂不稳定性和旋转磁化气体云的引力坍缩。在这两种系统中，电阻率都起着关键作用。在前一种情况下，它允许撕裂不稳定性的发展，通过重新连接的磁场线。在后者中，所采用的欧姆电阻率（恒定）值对新兴原恒星周围的气体分布和磁驱动外流的质量负载都有影响。我们新的非理想MHD实现开辟了可能性，研究磁流体动力学系统的移动网格超越理想MHD近似。
2018-03-07 astro-ph.IM physics.plasm-ph
On the application of Jacobian-free Riemann solvers for relativistic radiation magnetohydrodynamics under M1 closure
辐射转移在高能天体物理中起着重要的作用。在多种情景和广泛的能量尺度下，物质和辐射之间的耦合对于理解理论，观测和数值模拟之间的相互作用至关重要。在本文中，我们提出了一个新的计划，解决辐射相对论磁流体力学方程组的并行代码Lóstrego。这些方程，这是制定采取玻尔兹曼辐射转移方程的连续时刻，解决灰体近似和M1封闭下使用IMEX时间积分方案。我们的计划的主要新颖之处是，我们首次在辐射磁流体力学的背景下引入了一个家庭的雅可比自由黎曼解的基础上内部近似多项式粘度矩阵，这被证明是强大的和准确的非辐射应用。新算法的鲁棒性和局限性进行了测试，通过解决一个集合的一维和多维的测试问题，无论是在自由流和扩散辐射传输限制。由于其稳定的性能，本文所提出的方案的实际天体物理方案的高能天体物理的适用性是有前途的。在未来的模拟中，我们希望能够探索光子-物质相互作用的动力学相关性的背景下，相对论喷流和吸积盘，从微类星体和活动星系核的伽马射线暴。
2022-12-01 astro-ph.HE astro-ph.IM
Hierarchical Cross-entropy Loss for Classification of Astrophysical Transients
本文提出加权分层交叉熵损失，使神经网络测光分类器能直接利用树状分类法对天体物理瞬变源进行灵活分类，并在ZTF数据上验证其性能与微调分类器相当。
2023-12-04 astro-ph.HE astro-ph.IM
A Multistate Low-dissipation Advection Upstream Splitting Method for Ideal Magnetohydrodynamics
我们开发了一个新的数值方案理想磁流体动力学（MHD）模拟，这是强大的一维和多维冲击，低马赫数流动和不连续性是准确的。该方案属于一个家庭的平流上游分裂方法在计算空气动力学，它分裂的无粘通量在MHD方程的平流，压力和磁张力部分，然后分别评估质量，压力和磁张力通量在一个计算单元的接口。质量通量的设计，以避免数值激波不稳定性在多维，同时保持接触的不连续性。对于低马赫数流动，压力通量具有适当的比例，从而可以可靠地模拟几乎不可压缩的流动。磁张力通量的建立是一致的HLLD近似黎曼求解器，以保持旋转不连续性。我们演示了各种基准测试，以验证该计划的新颖性能。我们的研究结果表明，该计划必须是一个有前途的工具，以解决天体物理系统，包括低和高马赫数流，以及磁场不均匀性。
2020-04-17 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
Magnetohydrodynamics Simulations
Argonne National Laboratory（阿贡国家实验室）；The University of Chicago（芝加哥大学）；University of Illinois Urbana-Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）
本文探讨了人工智能如何帮助解决磁流体动力学模拟中的根本性障碍，通过物理信息神经网络、傅里叶神经算子和混合运算-扩散框架等方法，结合高性能计算和量子算法，推动模拟技术的发展。
2026-05-18 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Magnetohydrodynamic Simulation Code CANS+: Assessments and Applications
我们提出了一个新的磁流体动力学（MHD）模拟代码的目的是提供准确的数值解天体物理现象的不连续性，冲击波和湍流是固有的重要。该代码实现了HLLD近似黎曼求解器，五阶单调性保持插值（MP5）计划，和双曲发散清洗方法的磁场。这种方案的选择大大提高了数值精度和稳定性，并节省了多维问题的计算成本。一维和二维问题的数值试验表明，使用高阶格式的优势，从一个标准的二阶TVD MUSCL格式的结果进行比较。本代码使我们能够探索长期的演化的三维吸积盘周围的黑洞，其中可压缩MHD湍流引起连续的质量吸积通过非线性增长的磁旋转不稳定性（MRI）。不同计算单元尺寸的数值试验显示了全球模型中MRI早期非线性增长的收敛图像，并表明MP5格式在实际应用中的分辨率是MUSCL格式的两倍多。
2019-08-19 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.comp-ph
