GAMER-2: a GPU-accelerated adaptive mesh refinement code -- accuracy, performance, and scalability
我们提出了Gamer-2，一个GPU加速的自适应网格加密（AMR）的天体物理代码。它提供了一套丰富的功能，包括自适应时间步进，几个流体动力学方案，磁流体力学，自引力，粒子，恒星形成，化学和辐射过程与GRACKLE，数据分析与yt，和内存池有效的对象分配。Gamer-2是完全按位可再现的。在性能优化方面，采用了混合的OpenMP/MPI/GPU并行化，并利用了CPU计算、GPU计算和CPU-GPU通信的重叠。负载平衡是使用Hilbert空间填充曲线逐层实现的，而不需要在每个MPI进程上复制整个AMR层次结构。为了提供令人信服的演示的准确性和性能的Gamer-2，我们直接比较恩佐孤立盘星系模拟和与FLASH的星系团合并模拟。我们表明，通过不同的代码得到的物理结果是非常好的协议，和Gamer-2优于恩佐和FLASH的近一个和两个数量级，分别使用$1-256$节点的蓝水超级计算机。更重要的是，与其他两种代码相比，GAMER-2表现出类似甚至更好的并行可扩展性。我们还使用高达4096个GPU和65，536个CPU核心展示了良好的弱和强缩放，并实现了与$10{,}240^3$细胞一样高的统一分辨率。此外，GAMER-2可以作为AMR+ GPU框架，并已被广泛用于波暗物质（$ψ$ DM）模拟。GAMER-2是开源的（可在https：//github.com/gamer-project/gamer…
2018-10-04 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
A Moving Mesh Hydrodynamic Solver for ChaNGa
我们描述的结构和实现的移动网格流体动力学求解器的大规模并行代码，魅力N体GrAvity求解器（ChaNGa）。虽然很大程度上基于Springel（2010）描述的算法，该算法在AREPO中实现，但我们的算法在几个方面有所不同。我们描述了我们使用的Voronoi曲面细分库，VORO++，直接计算Voronoi曲面细分。我们还结合了一些最新的进展，梯度估计和重建，以最小的计算成本提供更好的精度在流体动力学解决方案。我们验证了这个模块与一个小电池的测试问题对光滑粒子流体动力学求解器包括在ChaNGa。最后，我们研究了一个科学问题的一个例子，涉及合并的两个主序星，并强调光滑粒子和移动网格流体力学之间的小的定量差异。最后，我们讨论了预期的未来改进和进步。
2017-07-17 astro-ph.IM astro-ph.SR
Tree-based solvers for adaptive mesh refinement code FLASH -- II: radiation transport module TreeRay
在恒星形成和星际介质的模拟中，如何处理多辐射源的辐射转移是一个关键的挑战。在本文中，我们提出了新的TreeRay方法解决一般的辐射转移问题，基于反向射线追踪结合树基加速积分。我们实现TreeRay在自适应网格细化代码FLASH，作为Wünsch等人开发的树求解器的一个模块。然而，该方法本身是独立的主机代码，可以在任何基于网格或基于粒子的流体动力学代码中实现。TreeRay的一个关键优势是其计算成本与源的数量无关，这使得它适合于模拟许多点源（例如大质量星团）以及漫发射很重要的模拟。一个非常有效的通信和树遍历策略使TreeRay能够实现几乎理想的并行缩放。TreeRay可以很容易地通过子模块进行扩展，以处理不同波长的辐射转移并实现相关的物理过程。在这里，我们专注于电离（EUV）辐射，并使用现场近似来测试的方法及其参数。独立设置树求解器时间步长的能力使得能够快速计算多相星际介质中的辐射转移，其中流体动力学时间步长通常受到恒星风气泡或超新星遗迹中产生的热气体的声速的限制。我们表明，复杂的模拟星团与多个大质量恒星的反馈成为可行的TreeRay。
2021-05-20 astro-ph.IM
An Extension of the Athena++ Code Framework for GRMHD Based on Advanced Riemann Solvers and Staggered-Mesh Constrained Transport
我们提出了一个新的广义相对论磁流体动力学（GRMHD）代码集成到雅典娜++框架。改进后的技术在大多数GRMHD代码中使用，我们允许使用先进的，少扩散黎曼解算器，特别是HLLC和HLLD。我们还采用了交错网格约束的传输算法，适合曲线坐标系，以保持无发散约束的磁场。我们的代码的目的是工作在一个，两个或三个维度的任意固定时空，我们证明了它的可靠性在一些测试。我们还报告其有前途的性能和可扩展性。
2016-07-03 astro-ph.HE astro-ph.IM
A fast, robust, and simple implicit method for adaptive time-stepping on adaptive mesh-refinement grids
隐式求解器在超级计算设备上使用时存在很大的局限性，特别是对于自适应网格细化代码。提出了一种基于自适应网格的隐式自适应时间推进方法。我们实现它的辐射流体动力学求解器，我们设计的RAMSES代码的天体物理学的目的，更特别的是，为原恒星坍缩。我们简要回顾了辐射流体力学方程和自适应时间步进方法用于流体动力学求解器。然后，我们介绍了不同类型的边界条件（狄利克雷，诺依曼和罗宾），用于在各级之间的接口，并提出了我们的RAMSES代码中的新方法的实现。经典的扩散和辐射流体动力学测试的方法进行测试，之后，我们提出了一个应用程序的原恒星崩溃。我们表明，使用Dirichlet边界条件在水平接口是一个很好的妥协之间的鲁棒性和准确性，它可以用于结构形成计算。在我们以前的独特的时间步长方法的计算时间的增益范围从5到50的因素取决于自适应时间步长的水平和问题。我们成功地比较了新旧方法的原恒星坍缩计算，涉及高度非线性物理。本文提出了一种简单而稳健的隐式格式自适应时间推进方法。它可以应用于各种各样的物理问题，涉及扩散过程。
2014-01-10 astro-ph.IM
Particle mesh multipole method: An efficient solver for gravitational/electrostatic forces based on multipole method and fast convolution over a uniform mesh
本文提出了一种计算引力/静电$N$ -体系统势及其梯度的有效算法，我们称之为粒子网格多极方法（PMMM或PM $^3$）。PMMM既可以理解为粒子网格（PM）方法的推广，也可以理解为快速多极子方法（FMM）的优化，前者将网格点的标量密度和势推广为多极矩和$(p+1)^2$实数展开式，其中$p$为展开阶数.在后者的观点，层次八叉树结构，带来了它的$\mathcal O(N)$性质，被替换为一个统一的网格结构，我们利用卷积定理与快速傅立叶变换（FFT），以加快计算。因此，执行大小等于网格点数目的独立$(p+1)^2$ FFT。基本思想与Shimada等人（1993）的PPPM/MPE和Ong等人（2003）的FFTM相同。PMMM与它们的不同之处在于既支持开边界条件又支持周期边界条件，并且采用不可约形式，其中多极矩和局部展开都用$(p+1)^2$实数表示，变换矩阵用$(2p+1)^2$实数表示。计算复杂度$\mathcal O(p^2 N)$和$\mathcal O(N \log (N/p^2))$较大，当网格点数为$\propto N/p^2$时，内存需求为$\mathcal O(N)$。
2014-10-17 astro-ph.IM physics.comp-ph
Time Dependent Radiation Hydrodynamics on a Moving Mesh
我们描述的结构和实现的辐射流体动力学求解器MANGA，移动网格流体动力学模块的大规模并行代码，魅力N体引力求解器（ChaNGa）。我们按照Jiang等人（2014）的算法，使用降低的光速近似来求解时间相关的辐射转移方程。通过将辐射转移方程写成广义守恒方程，我们在非结构化Voronoi网格上求解了这些方程的传输部分。然后，我们使用隐式求解器求解遵循Jiang等人（2014）的辐射转移方程的源部分，并将其耦合到流体动力学方程。隐式求解器的使用确保了可靠的收敛性，并保持了这些方程的守恒性质，即使在源项是刚性的情况下，由于辐射和物质之间的小耦合时标。我们提出了有限数量的测试用例（能量守恒，动量守恒，动态扩散，线性波，交叉光束，和多个阴影）的结果，以显示收敛与分析结果和数值稳定性。我们还表明，它产生定性的正确结果，在光学薄的情况下，在存在多个源。
2020-02-25 astro-ph.HE astro-ph.IM
A Scalable Fast Multipole Method Poisson Solver for the RAMSES code: II. Adaptive Mesh Refinement and Adaptive Time Stepping
Princeton University（普林斯顿大学）
研究在RAMSES框架下实现基于快速多极方法的可扩展泊松求解器，引入多FMM树等新元素，与传统多网格求解器测试对比，该求解器在AMR界面动量守恒好、可扩展性佳。
2026-07-23 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.comp-ph
Radiation hydrodynamics with Adaptive Mesh Refinement and application to prestellar core collapse. I Methods
辐射转移对星前致密核的坍缩和碎裂有很强的影响。我们提出的辐射流体动力学求解器，我们设计的RAMSES代码。该方法是为天体物理学目的而设计的，特别是用于原恒星坍缩。我们提出了求解器，使用共同移动的框架来评估辐射量。我们使用流行的通量限制扩散近似，在灰色近似下（一组光子）。求解器的基础上的二阶Goddom格式的RAMSES的双曲部分，和辐射扩散和辐射与物质之间的耦合的隐式计划。我们详细报告我们的方法，将RHD求解器集成到RAMSES。我们成功地测试了几个传统的测试方法。为了验证在3D中，我们进行计算的一个孤立的1 M太阳星前致密核心的崩溃，没有旋转。我们成功地比较结果与以前的研究使用不同的模型辐射和流体动力学。我们已经开发了一个完整的辐射流体动力学求解器的RAMSES代码，处理自适应网格细化网格。该方法是显式格式和隐式格式的结合，在空间上精确到二阶。我们的方法非常适合恒星形成的目的。多维致密核心坍塌计算与旋转的结果在一个配套文件。
2011-02-23 astro-ph.IM physics.comp-ph
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
Tree-based solvers for adaptive mesh refinement code FLASH - I: gravity and optical depths
我们描述了一个八叉树算法的MPI并行，自适应网格细化代码{ \sc FLASH}，它可以用来计算气体的自重，也角平均的局部光学深度，处理环境漫射辐射。该算法只将树中需要在本地执行树遍历的部分传递给不同的处理器。这种方法的优点是相对较低的存储器需求，这对于需要处理来自许多不同方向的信息的光学深度计算特别重要。此功能还支持将在后续论文中描述的基于树的一般辐射传输算法，并提供高达至少1500个核心的出色扩展。重力的边界条件可以是孤立的或周期性的，它们可以在每个方向上独立地指定，使用新开发的推广埃瓦尔德方法。通过部分地重新使用来自先前时间步的解，可以利用{ \em自适应块更新}技术来加速重力计算。与{ \sc Flash}内部多重网格重力求解器的比较表明，基于树的方法提供了一种有竞争力的替代方法，特别是对于具有孤立或混合边界条件的问题。我们评估了几个多极验收标准（MAC），并确定了一个相对简单的APE MAC，它提供了高精度，低计算成本。发现光学深度估计与{ \sc RADMC-3D}辐射输运代码非常一致，树求解器快得多。我们的算法在4.0版及更高版本的{ \sc FLASH}代码的标准发行版中提供。
2018-01-02 astro-ph.GA astro-ph.IM
Fast(er)PM and Moving Mesh: JAX-native Geometric Multigrid Methods
Kavli IPMU (WPI)（卡弗里宇宙学前沿研究所）；UTIAS（多伦多大学应用科学与工程研究所）；The University of Tokyo（东京大学）；Center for Data-Driven Discovery, Kavli IPMU (WPI)（卡弗里宇宙学前沿研究所数据驱动发现中心）；Lawrence Berkeley National Lab（劳伦斯伯克利国家实验室）
研究旨在构建高效泊松求解器，提出基于 JAX 的几何多重网格框架，用于粒子-网格引力。在固定网格上可替代 FFT，在移动网格上是可行求解器，通过热启动切比雪夫多重网格减少计算量，提升性能，还嵌入可微移动网格方法，成为两者间实用桥梁。
2026-07-14 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Mesh-free hydrodynamics in PKDGRAV3 for galaxy formation simulations
我们扩展了国家的最先进的N-体代码PKDGRAV 3的包含无网格气体流体动力学的宇宙学模拟。两个新的流体动力学求解器已经实现，无网格有限体积和无网格有限质量方法。求解器明显地保持了质量、动量和能量守恒，并且已经通过了包括宇宙学模拟在内的各种标准测试模拟的验证。我们还介绍了PKDGRAV 3已实施的水动力学模拟的改进。这些变化是在考虑到效率和模块化的情况下做出的，为实现星系形成和演化物理所需的模块以及将来移植到GPU提供了坚实的基础。代码在公共存储库中发布，同时发布的还有文档和本工作中提供的所有测试模拟。
2022-11-22 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.comp-ph
SFUMATO#: A GPU-accelerated code for self-gravitational radiation hydrodynamics simulation with adaptive mesh refinement
Center for Computational Sciences, University of Tsukuba（筑波大学计算科学中心）；Faculty of Sustainability Studies, Hosei University（法政大学可持续研究学部）
本文提出了一种新的SFUMATO#代码，用于解决自引力辐射流体动力学问题，采用自适应网格细化（AMR）和CUDA/HIP编程框架，结合多网格求解器、辐射传输、非平衡化学、热演化和粒子方案，验证了非平衡化学和热求解器的准确性，并展示了多GPU执行和强标度性能。
2026-05-21 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
