Smoothed Particle Magnetohydrodynamics IV - Using the Vector Potential
本文研究了利用光滑粒子流体动力学（SPH）方法数值求解磁流体动力学（MHD）方程时，使用矢势作为维持发散约束的手段。我们推导出一个自洽的制定的运动方程，使用变分原理，是由两个感应方程和用于获得的磁场，保证准确和同时守恒的动量，能量和熵的数值方案的旋度算子的数值公式的约束。这导致了一种新的MHD力项的配方，独特的矢量势，这不同于以前的配方。我们还演示了如何耗散项可以正确地制定的矢量势，使熵的贡献是正定的和总能量守恒。在一个标准套件的数值试验在一个，两个和三个维度，我们首先发现，一致的制定的矢量势方程是不稳定的著名的SPH拉伸不稳定性，甚至比在标准的光滑粒子磁流体力学（SPMHD）制定的磁场是直接演变。此外，我们发现，虽然一个混合的方法的基础上的矢量势演化方程加上一个标准的力项给出了良好的结果为一个和两个维度的问题（其中dAz/dt = 0），这样的方法遭受数值不稳定性在三维相关的矢量势分量的无约束演化。我们的结论是，使用矢量势是不是一个可行的方法光滑粒子磁流体动力学。
2009-09-14 astro-ph.GA astro-ph.IM
Smoothed Particle Magnetohydrodynamics: A State of the Union
在SPH中获得稳定的磁流体动力学（MHD）形式-即平滑粒子磁流体动力学（SPMHD）-已被证明非常困难。实现磁流体动力学需要两个步骤：动量方程和感应方程的修改，这两个都是挑战。我们首先提供了一个概述如何实现SPMHD，然后讨论如何实现失败和各种纠正方法的限制-特别是参考粒子无序的影响。虽然有许多问题，其中，仔细选择的纠正措施，可以得到良好的结果，然后我们表明，在最先进的状态的非常有限的，在SPH中进行稳定的MHD计算的能力是削减的数值问题。
2016-06-22 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
Minimizing Dispersive Errors in Smoothed Particle Magnetohydrodynamics for Strongly Magnetized Medium
在这项研究中，我们研究了光滑粒子磁流体力学（SPM）的色散特性在强磁化介质中使用线性分析。在现代SPM中，从运动方程中减去与磁场发散成比例的校正项，以避免在强磁化介质中出现数值不稳定性。从线性分析中发现，带有修正项的SPM存在明显的色散误差，特别是对于沿磁场传播的慢波。所有波数的相速度显着大于精确解，并在有限波数处有一个峰值。由于磁场沿磁场贡献非物理排斥力，所以出现这些过大的色散误差。即使使用更大的平滑长度和更平滑的核函数，例如高斯或五次样条核，也不能减少色散误差。我们对此问题进行了线性分析，发现如果校正项减少一半，色散误差可以完全消除，同时保持SPM稳定。几个简单的数值实验证实了这些发现。
2015-09-15 astro-ph.GA astro-ph.IM
A Vector Potential implementation for Smoothed Particle Magnetohydrodynamics
光滑粒子磁流体动力学（SPMHD）的发展极大地提高了对复杂天体物理过程的模拟。然而，保持磁流体磁场的螺线管性仍然是一个严峻的问题。用矢量势来表述感应方程可以解决这个问题。不幸的是，以前的所有尝试都不稳定。在目前的工作中，我们发展的库仑规范中的矢量势和光滑的导出的磁场用于动量方程。通过这种实现，我们可以以稳定的方式重现经典的测试用例。一个简单的测试案例证明了广泛使用的磁场直接积分的可能失败，即使使用了发散清除方法。
2014-11-12 astro-ph.IM
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。
2012-07-10 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
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。
2023-06-26 astro-ph.IM physics.plasm-ph
A fast and explicit algorithm for simulating the dynamics of small dust grains with smoothed particle hydrodynamics
我们描述了一个简单的方法来模拟动力学的小颗粒在尘埃气体中，有关微米级的颗粒在星际介质和厘米级的颗粒大小和更小的原行星盘。该方法涉及到解决一个额外的扩散方程的灰尘分数除了通常的流体动力学方程。当尘埃停止时间小于计算时间步长时，这种“尘埃扩散近似”是有效的。我们提出了一个数值实现光滑粒子流体动力学（SPH），是保守的，准确的和快速的。它不需要任何隐式时间步长，可以直接移植到现有的3D代码。
2015-09-10 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.IM
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。
2010-12-08 astro-ph.CO astro-ph.IM astro-ph.SR
A solution to the overdamping problem when simulating dust-gas mixtures with smoothed particle hydrodynamics
我们提出了一个修复Laibe & Price（2012）发现的过阻尼问题时，使用两组不同的粒子使用平滑粒子流体动力学模拟强耦合的粉尘-气体混合物。我们的解决方案是通过重建速度场来计算阻力时，计算气体和尘埃粒子对之间的重心处的阻力，类似于Godunov型求解器中的程序。这解决了过阻尼问题，计算成本可以忽略不计，但需要额外的内存来存储速度导数。我们采用斜率限制器，以避免虚假振荡的冲击，发现范里尔单调中心限制器最有效。
2020-05-13 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.comp-ph
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
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。
2015-06-22 astro-ph.IM
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。
2017-06-23 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
An Adjoint Projection Formulation for Enforcing the divergence-free Constraint in Smoothed Particle Magnetohydrodynamics
Konan University（神户大学）
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。
2026-06-29 astro-ph.EP astro-ph.IM astro-ph.SR
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。
2010-02-26 astro-ph.GA astro-ph.IM
From particles to precision. Simulating subsonic turbulence with Smoothed Particle Hydrodynamics
University of Basel（巴塞尔大学）；Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)（加泰罗尼亚理工大学）；Institut d’Estudis Espacials de Catalunya (IEEC)（加泰罗尼亚空间研究所）；Universität Heidelberg（海德堡大学）；Swiss National Supercomputing Center (CSCS)（瑞士国家超级计算中心）；University of Zürich（苏黎世大学）
本文展示SPH-EXA代码能克服传统SPH模拟亚音速湍流的挑战，实现与AREPO和GIZMO等先进非SPH代码相当的精度，尤其在亚音速范围内表现出良好的Kolmogorov惯性范围标度特性。
2026-07-07 astro-ph.CO astro-ph.IM
An implicit algorithm for simulating the dynamics of small dust grains with smoothed particle hydrodynamics
本研究提出一种用于光滑粒子流体动力学的隐式算法，求解终端速度近似下小尘埃占比的扩散方程，通过解析求解三次方程实现，避免了显式方法的负值问题，降低了计算成本，但仍不适用于大颗粒场景。
2024-03-08 astro-ph.EP astro-ph.IM
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。
2010-12-21 astro-ph.GA astro-ph.IM
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。
2011-12-05 astro-ph.IM astro-ph.SR physics.comp-ph
Simulating gravitational motion, gas dynamics, and structure in the cosmos
本文介绍N体流体动力学代码ChaNGa的引力与气体模拟方法、核心算法及数据结构，并配套习题用于宇宙学概念教学。
2023-03-09 astro-ph.GA astro-ph.IM
A smoothed particle hydrodynamics algorithm for multigrain dust with separate sets of particles
我们提出了一种方法来模拟气体和多个物种的大斯托克斯数尘埃颗粒，典型的演化原行星盘和碎片盘的混合物的动力学。该方法改进了早期的方法，其中只有一个单一的晶粒尺寸可以表示，通过捕获气体上的多个尘埃物种的差分反反应。在原行星盘生命的后期阶段，这种影响在大的尘埃与气体的比例下会更大。我们基准的线性波，阻力和冲击的尘埃气体混合物的解析解的方法，并在原行星盘径向漂移表明，该方法是强大的和准确的。
2020-10-26 astro-ph.EP astro-ph.IM
Iharm3D: Vectorized General Relativistic Magnetohydrodynamics
University of Illinois at Urbana–Champaign（伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校）；Illinois Center for Advanced Studies of the Universe（伊利诺伊高级宇宙研究中心）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；University of California Santa Barbara（加州大学圣塔芭芭拉分校）
Iharm3D是开源C代码，用于模拟黑洞吸积系统，基于HARM算法实现，去除辐射传输部分，能在任意坐标的笛卡尔网格上求解理想GRMHD方程，为研究提供了有效工具。
2026-07-27 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.plasm-ph
Smoothed Particle Hydrodynamics in pkdgrav3 for Shock Physics Simulations. I. Hydrodynamics
University of Zurich（苏黎世大学）；University of Bern（伯尔尼大学）
本文介绍pkdgrav3，一种高性能的树-SPH代码，用于大规模包含自引力的流体动力学模拟。该代码结合了高效的树算法和现代SPH实现，适用于大规模并行计算，验证了其数值精度，展示了在行星尺度撞击模拟中的鲁棒性和效率。
2026-05-13 astro-ph.EP astro-ph.IM
Simulating stellar winds in AMUSE
我们提出stellar_wind.py，一个模块，提供了多种方法模拟恒星风使用平滑粒子流体动力学代码（SPH）内的天体物理多用途软件环境（AMUSE）框架。在简单风模式下，我们在球对称壳中产生SPH风粒子。我们注入的风粒子的速度等于它们的终极速度。加速风模式是类似的，但用这种方法，粒子可以以低于终极速度的初始速度注入，并根据加速度函数加速离开恒星。在加热风模式下，SPH粒子相对于恒星的初始速度为零，但相反，风粒子被赋予了基于恒星综合机械光度的内能。与其他两种模式相比，这种模式被设计用于更长的时间尺度和更大的空间尺度，并假设恒星嵌入气体云中。对于快风，我们发现无论是简单模式还是加速模式都能再现所需的速度、密度和温度分布。对于慢风，简单的风模式是不够的，由于占主导地位的流体动力学效应，改变风速。加速模式，与其他选项，以考虑这些流体动力学效应，仍然可以重现所需的风廓线。我们测试加热模式，通过模拟一个正常的风和超新星爆炸的一个单一的恒星在一个均匀的密度介质。星风模拟结果与膨胀风泡的解析解相吻合。超新星模拟给出了定性正确的结果，但模拟的气泡膨胀速度比解析解预测的要快。最后，我们以一个三星系统为例，其中包括所有三颗恒星的碰撞风。
2019-03-26 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
Phurbas: An Adaptive, Lagrangian, Meshless, Magnetohydrodynamics Code. II. Implementation and Tests
我们提出了一种算法，用于模拟理想磁流体动力学方程和其他微分方程组的非结构化的一组点所代表的样本粒子。粒子随流体运动，因此时间步长不受欧拉柯朗-弗里德里希-路易条件的限制。需要完全的空间自适应性来确保粒子填充计算体积，并赋予算法相当大的灵活性和能力。为空间中的每个点指定目标分辨率，并根据需要添加和删除粒子以满足此目标。我们已经通过适应GADGET-2提供的框架来并行化代码。本文介绍了一组标准试验问题，包括1 e-6振幅线性MHD波、磁化激波管和Kelvin-Helmholtz不稳定性。最后，我们证明了良好的协议与解析预测的线性增长率的磁旋转不稳定性在圆柱形的几何形状。本文记录了在Phurbas版本1.1中实现的Phurbas算法。
2012-03-30 astro-ph.EP 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
Cholla-MHD: An Exascale-Capable Magnetohydrodynamic Extension to the Cholla Astrophysical Simulation Code
本文提出Cholla的MHD扩展模块，利用GPU并行和Constrained Transport方法在Frontier超算上实现7.2万亿单元规模的理想磁流体力学模拟，并验证了高精度与零磁散度保持。
2024-05-01 astro-ph.GA astro-ph.IM
Simulating Turbulence Using the Astrophysical Discontinuous Galerkin Code TENET
在天体物理学中，求解理想流体动力学欧拉方程的两种传统方法是光滑粒子流体动力学和固定网格上的有限体积离散。然而，目标是有效地利用未来的exascale机器与他们的更高程度的并行并发性激励搜索更有效，更准确的计算流体力学的技术。不连续Galerkin（DG）方法在这方面代表了一类很有前途的方法，因为它们可以直接扩展到任意高阶，同时只需要很小的扩展。特别是对于涉及相对平滑的问题的应用，高阶方法承诺在计算速度上有显着的增益，以达到所需的目标精度。在这里，我们介绍我们的新的天体物理DG代码TENET设计的应用在宇宙学，并讨论我们的第一个结果的三维模拟亚音速湍流。我们表明，我们的新DG实现亚音速湍流提供了准确的结果，在大大降低计算成本相比，传统的有限体积法。特别是，我们发现，DG需要约1.8倍的自由度，以达到相同的精度，同时是超过1.5倍的速度，证实了其对天体物理应用的重大承诺。
2016-02-29 astro-ph.CO astro-ph.IM
Numerical Methods for Simulating Star Formation
我们回顾了理想和非理想磁流体动力学（MHD）的数值技术用于恒星形成模拟的背景下。我们概述了建模恒星形成的环境，这是占主导地位的辐射，自引力流体中的超音速和超Alfvenic湍流所提供的具体挑战。这些条件在物理学和工程学中是相当独特的，并且对数字代码的鲁棒性和准确性造成特别严重的限制。一个引人注目的方面是坍缩流体元素的形成，导致形成代表点状物体的奇点，即原恒星。虽然一些研究试图解决第一和第二拉森核心的形成，分辨率的限制迫使我们使用汇粒子技术，与亚网格模型来计算质量，动量和能量的吸积率，以及它们的喷射率由于辐射和喷流从原恒星。我们讨论了最流行的离散化技术在社会上使用，即光滑粒子流体力学，有限差分和有限体积法，强调保持无发散磁场的重要性。我们讨论了如何估计一个给定的数值格式的截断误差，以及它在设置数值扩散的大小的重要性。这可能会对这些MHD模拟的结果产生强烈影响，其中粘度和电阻率都是在网格尺度上实现的。然后，我们提出了各种数值技术来模拟非理想的MHD效应，如欧姆和双极扩散，以及霍尔效应。这些重要的物理成分在分辨率和时间步进方面构成了巨大的挑战。对于后者，几种策略进行了讨论，以克服由于禁止小的时间步长（删节）的限制。
2019-07-19 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
Phurbas: An Adaptive, Lagrangian, Meshless, Magnetohydrodynamics Code. I. Algorithm
我们提出了一种算法，用于模拟理想磁流体动力学方程和其他微分方程组的非结构化的一组点所代表的样本粒子。从相邻粒子的场值计算局部三阶最小二乘多项式插值（移动最小二乘插值），以获得粒子位置处的场值和空间导数。通过二阶预测-校正方案，场值和粒子位置在时间上提前。粒子随流体运动，因此时间步长不受欧拉柯朗-弗里德里希-路易条件的限制。实现了完全的空间自适应性，以确保粒子填充计算体积，这为算法提供了很大的灵活性和能力。为空间中的每个点指定目标分辨率，并根据需要添加和删除粒子以满足此目标。粒子的添加和删除是基于局部空洞和团块检测算法。动态人工粘度场为积分提供了稳定性。由此产生的算法提供了一个强大的解决方案，需要拉格朗日或自适应离散化来解决建模流。本文推导并记录了在Phurbas版本1.1中实现的Phurbas算法。下面的论文介绍了实现和测试问题的结果。
2012-03-30 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.comp-ph
A comparison between grid and particle methods on the small-scale dynamo in magnetised supersonic turbulence
我们执行的平滑粒子磁流体动力学（SPMHD）的代码，幻影，和欧拉网格为基础的代码，Flash，驱动，马赫数10湍流的小尺度湍流发电机之间的比较。我们表明，第一次，指数增长和饱和的初始弱磁场通过小规模发电机可以成功地再现与SPMHD。这两个代码同意的行为的磁能谱，饱和水平的磁能，和分布的磁场强度在生长和饱和阶段。主要的区别是发电机的增长率，其对分辨率的依赖性，不同的代码，造成的数值耗散和冲击捕获计划的差异，导致在幻影和闪光的有效普朗特数的差异。
2016-05-27 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
A divergence-cleaning scheme for cosmological SPMHD simulations
在磁流体力学中，磁场由感应方程导出，并通过洛伦兹力与气体动力学耦合。我们进行数值平滑粒子磁流体动力学（Spmhd）模拟和研究的数值磁发散的影响。对于由发散B相关误差引起的不稳定性，我们发现Dedner等人2002年提出的双曲/抛物线清洗方案给出了良好的结果，并防止数值伪影的增长。此外，我们表明，某些当前的Spmhd实现的磁场正则化引起非物理的不稳定性，在长时间的模拟。我们也发现这种效果时，采用欧拉势（发散的定义），这是不能够正确地遵循的缠绕过程的磁场线。此外，我们提出了极高分辨率的星系团形成的宇宙学模拟，包括磁场的演变。我们显示合成法拉第旋转地图，并推导出结构函数，将它们与观测结果进行比较。比较所有的模拟和不发散清洗，我们能够确认以前的模拟结果进行的标准实施的MHD在Spmhd在正常分辨率。然而，在极高的分辨率，清洗方案是必要的，以防止在小尺度的数值误差的增长。
2012-05-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
Non-ideal magnetohydrodynamics on a moving mesh I: Ohmic and ambipolar diffusion
本研究在运动网格代码AREPO中实现了含欧姆与双极扩散的非理想MHD新数值方案，经多类测试验证精度与ATHENA++相当，大密度反差下稳定，适用于原恒星云坍缩的高分辨率模拟。
2023-07-21 astro-ph.EP astro-ph.IM
Simulating cosmic structure formation with the GADGET-4 code
数值方法已成为天体物理研究的有力工具，但其实用性严重依赖于合适的模拟代码的可用性。这就要求在代码开发方面不断努力，这也是当今计算硬件基础技术快速发展所必需的。在这里，我们讨论最近的方法进展GADGET代码，这已被广泛应用于宇宙结构的形成在过去的二十年。新版本通过特殊的MPI/共享内存并行化和通信策略以及更复杂的域分解算法，在力的准确性，时间步长，适应大动态范围的时间尺度，计算效率和并行可扩展性方面提供了改进。一个明显的动量守恒快速多极方法（FMM）可以作为一种替代的单边TreePM重力求解器在早期版本中介绍。两种不同的口味的光滑粒子流体动力学，一个经典的熵守恒的制定和压力为基础的方法，支持处理气体流动。该代码是能够应付非常大的问题的大小，从而允许准确的预测宇宙结构的形成，在未来的宇宙学精度测试的支持，并在同一时间是很好地适应高动态范围的缩放计算与极端变化的粒子数密度在模拟量。GADGET-4代码向社区公开发布，包含用于实时群和子结构查找和跟踪的基础设施，以及合并树的构建，辐射冷却和恒星形成的简单模型，高动态范围功率谱估计器，以及基于二阶拉格朗日摄动理论的初始条件生成器。
2021-08-18 astro-ph.CO astro-ph.IM
A Switch for Artificial Resistivity and Other Dissipation Terms
我们描述了一种新的开关，以减少耗散人工电阻率平滑粒子磁流体动力学模拟。开关利用磁场梯度检测电击，设置alpha_B = h |gradB| / |B|。这测量了不连续性的相对程度，并且开关不依赖于绝对场强。我们将新的电阻率开关与Price & Monaghan（2005）的开关进行了比较，结果表明，它在捕获冲击（特别是在弱场中）方面更强大，同时导致更少的整体耗散。这种开关的设计是一般化的，以创建类似的开关，人工粘度和热传导，与概念验证进行测试的Sod激波管和开尔文-亥姆霍兹不稳定性。
2013-10-16 astro-ph.IM physics.comp-ph
Numerical tests of cosmological Alfvén waves with Ohmic diffusion
本研究提出了宇宙膨胀框架下含欧姆扩散的非理想MHD系统的首个非平凡解析解，通过SWIFT代码的SPMHD数值验证了其准确性，收敛性良好，可作为MHD代码的标准测试补充。
2025-06-12 astro-ph.CO astro-ph.IM
