Solving the Riemann Problem for Realistic Astrophysical Fluids
我们提出了新的方法来解决黎曼问题，精确和近似的一般状态方程（EoS），以促进现实的建模和理解的天体物理流动。如果EoS是单调的，则无论EoS的物理有效性如何，都可以保证新的精确广义EoS Riemann解的存在唯一性.我方确认：（1）在计算理想气体欧拉方程时，新的广义EoS Riemann解与原精确Riemann解匹配，（2）在计算理想气体EoS时，新的Harten-Lax-van Leer-Contact（HLLC）广义EoS Riemann解与原HLLC Riemann解匹配;（3）新的HLLC广义EoS Riemann解的解逼近新的精确解。我们用两种方法来求解EoS，一种是用双线性插值法来插值二维EoS表，另一种是在运行时解析计算热力学变量。插值方法更通用，因为它可以与其他单调和现实的EoS一起工作，而这里介绍的分析EoS求解器与相对理想化的EoS一起工作。数值结果表明，两种EoS求解器的精度相当。我们用HLLC广义EoS Riemann解算器研究了这两种方法的效率，发现在测试问题中，解析EoS解算器的速度更快。然而，我们指出，这两个EoS求解器的组合可能会成为有利的，在一些特定的问题。在整个研究中，我们假设局部热平衡。
2019-11-02 astro-ph.IM physics.comp-ph
CASTRO: A New Compressible Astrophysical Solver. II. Gray Radiation Hydrodynamics
我们描述了可压缩天体物理程序CASTRO的通量限制灰色辐射求解器的开发。CASTRO使用欧拉网格，基于逻辑矩形可变大小网格的嵌套层次结构，在空间和时间上同时细化块结构自适应网格细化。灰色辐射求解器是基于辐射流体力学的混合框架制定。在我们的方法中，系统被分成两部分，一部分耦合的辐射和流体的双曲子系统，和另一个抛物线的部分，发展辐射扩散和源-汇项。双曲型子系统显式求解的高阶Goddom格式，而抛物型部分是隐式求解的一阶向后欧拉方法。
2011-08-11 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
AMReX-Astrophysics Microphysics: A set of microphysics routines for astrophysical simulation codes based on the AMReX library
Collaboration（协作组）；Stony Brook University（石溪大学）；University of Wisconsin, Madison（威斯康星大学麦迪逊分校）；Independent Researcher（独立研究者）；University of Arizona（亚利桑那大学）；The Australian National University（澳大利亚国立大学）；Los Alamos National Laboratory（洛斯阿拉莫斯国家实验室）；Lawrence Berkeley National Laboratory（劳伦斯伯克利国家实验室）；Leiden Observatory（莱顿天文台）；Arizona State University（亚利桑那州立大学）；Michigan State University（密歇根州立大学）；Institute for Advanced Computational Science, Stony Brook Univer（石溪大学高级计算科学研究所）
该研究开发了基于AMReX库的天体物理微物理库，为多款天体物理模拟代码提供微物理例程与求解器，采用C++实现且以GPU卸载为核心设计特征。
2026-08-10 astro-ph.IM
CASTRO: A New Compressible Astrophysical Solver. III. Multigroup Radiation Hydrodynamics
我们提出了一个制定多群辐射流体动力学是正确的顺序$O(v/c)$使用的comoving-frame方法和通量限制扩散近似。我们描述了一个数值算法求解系统，实现可压缩天体物理代码，CASTRO。CASTRO使用欧拉网格，基于逻辑矩形可变大小网格的嵌套层次结构，在空间和时间上同时细化块结构自适应网格细化。在我们的多群辐射求解器中，系统被分成三个部分，一个部分耦合双曲子系统中的辐射和流体，另一个部分在频率空间中平流辐射，以及一个抛物线部分，其演化辐射扩散和源-汇项。双曲子系统和频率空间平流显式求解高阶Goddom格式，而抛物部分求解隐式与一阶向后欧拉方法。我们的多群辐射求解器适用于中微子和光子辐射。
2012-11-05 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
GenASiS: General Astrophysical Simulation System. II. Nonrelativistic Hydrodynamics
在本文中，第二个系列，我们记录的算法和求解器可压缩非相对论流体动力学实现GenASiS（一般天体物理模拟系统）-一个新的代码正在开发的最初和主要，但绝不排他，核心塌陷超新星的模拟。在GenASiS的数学部分，我们介绍了求解器，其中包括通用双曲平衡方程和常微分方程积分步骤的有限体积更新。我们还介绍了GenASiS的物理部门;这将数学的流形部门扩展到物理空间，定义StressEnergies，并将其组合成宇宙。我们对许多标准的测试问题的GenASiS的流体动力学能力进行基准测试，结果说明了我们的实施的基本能力，证明了HLLC的HLL黎曼求解器在一些有趣的情况下，明显的优越性，并提供初步的代码的能力，规模和功能与细胞的细胞固定网格细化。
2015-07-08 astro-ph.IM physics.comp-ph
An adaptive particle-mesh gravity solver for ENZO
我们描述并实现了一个自适应粒子网格算法来解决泊松方程的网格为基础的流体动力学代码与嵌套网格。该算法的实施和广泛的测试内的天体物理代码恩佐对多重网格求解器默认可用。我们发现，虽然这两种算法表现出类似的精度光滑的质量分布，自适应粒子网格算法是更准确的点群众的情况下，一般是少噪音。我们还表明，两体问题可以准确地解决了嵌套网格的配置。此外，我们还讨论了子循环的影响，并证明了以相同的时间步长发展所有级别会产生更高的精度。
2014-09-30 astro-ph.IM
SAETASS: Solver for Astroparticle Equation of Transport Analysis in Spherical Symmetry
Instituto de Astrofísica de Andalucía (IAA-CSIC)（安达卢西亚天体物理研究所）
本文提出SAETASS求解器，用于球对称环境下天体粒子输运方程，采用保守有限体积框架和模块化运算拆分架构，验证了其在纯输运、扩散和损失测试中的鲁棒性，并展示了其在宇宙射线质子输运中的应用。
2026-06-23 astro-ph.HE astro-ph.IM
An extension of gas-kinetic BGK Navier-Stokes scheme to multidimensional astrophysical magnetohydrodynamics
引力场下纳维-斯托克斯方程的多维气体动力学格式[J. Comput. Phys.226（2007）2003-2027]扩展到电阻性磁通。磁流体动力学方程的非磁性部分由由于磁场而修改的BGK求解器计算。磁性部分由基于气体动力学理论的通量分裂方法处理[J. COMPUT. Phys.153（1999）334-352 ]，使用在BGK解算器中构造的粒子分布函数。将洛伦兹力效应引入气体演化阶段对提高格式精度有重要意义。对于一些多维问题，切向细胞界面从平衡分布的偏差是必不可少的，以保持该计划的鲁棒性和准确性。除了采用TVD时间离散方案外，适当增加动态耗散是一种简单有效的稳定计算方法。通过一维和二维冲击波试验验证了该格式的有效性。通过三维湍流磁对流数值模拟，验证了电流格式对复杂天体物理流动的适用性。
2010-10-18 astro-ph.IM physics.comp-ph
A highly accurate drag solver for multi-fluid dust and gas hydrodynamics on GPUs
Institut Universitaire de France（法兰西学院）
本文针对GPU上的多流体尘埃—气体模拟，提出基于缩放—平方计算阻力矩阵指数的高精度摩擦求解器，并在Dyablo与Shamrock中验证其可扩展性。
2025-09-29 astro-ph.IM
Deep Neural Networks for Modeling Astrophysical Nuclear Reacting Flows
Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学）；Peking University（北京大学）；Beihang University（北京航空航天大学）
本文提出基于 DeePODE 框架的神经网络代理模型，用深度学习替代传统刚性 ODE 求解器，通过进化蒙特卡洛采样训练，在保证精度的同时实现约2.6倍CPU加速，有效缓解了天体物理核反应流模拟中的刚性约束。
2025-10-13 astro-ph.IM
MAESTRO, CASTRO, and SEDONA -- Petascale Codes for Astrophysical Applications
对Ia型超新星（SNe Ia）进行高分辨率、高保真度的三维模拟，不仅需要精确表示正确物理的算法，还需要有效利用最强大超级计算机资源的代码。我们正在开发一套代码，提供的能力，以执行端到端的模拟超新星Ia，从早期的对流阶段导致点火的爆炸阶段，其中爆燃/爆震波爆炸的恒星的光变曲线的计算产生的爆炸。在本文中，我们将讨论这些代码的重点技术需要将它们扩展到千万亿次架构。我们还展示了我们的能力，映射数据从低马赫数制定一个可压缩的求解器。
2010-08-17 astro-ph.IM
diffhydro: Inverse Multiphysics Modeling and Embedded Machine Learning in Astrophysical Flows
Kavli IPMU (WPI), UTIAS, The University of Tokyo（东京大学 Kavli宇宙物理数学研究所（WPI）、UTIAS）；Center for Data-Driven Discovery, Kavli IPMU (WPI), UTIAS, The University of Tokyo（东京大学 数据驱动发现中心、Kavli宇宙物理数学研究所（WPI）、UTIAS）；Lawrence Berkeley National Lab（劳伦斯伯克利国家实验室）；The University of Osaka（大阪大学）；University of Nevada, Las Vegas（内华达大学拉斯维加斯分校）；Zhejiang University（浙江大学）
diffhydro通过引入逆多物理建模和嵌入式机器学习，实现了天体物理流体中高精度的模拟与梯度重建。
2025-12-15 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Performance of high-order Godunov-type methods in simulations of astrophysical low Mach number flows
本研究用SLH代码系统测试了六种重构方法与三种黎曼求解器在低马赫数天体物理流动中的组合性能，发现低耗散求解器与六次重构组合最优，并揭示了重构阶数、耗散尺度及振荡特性等关键规律。
2024-02-26 astro-ph.IM astro-ph.SR cs.NA
GenASiS: General Astrophysical Simulation System. I. Refinable Mesh and Nonrelativistic Hydrodynamics
GenASiS（通用天体物理模拟系统）是一个正在开发的新代码，最初和主要，但决不是唯一的，用于在世界领先的超级计算机上模拟核心坍缩超新星。本文-系列中的第一篇-演示了一个适合于引力坍缩的中心精化坐标补丁和可压缩非相对论流体力学的文献方法。我们对许多标准的测试问题的GenASiS的流体动力学能力进行基准测试;结果说明了我们的实施的基本能力，展示了HLLC相对于HLL黎曼解算器在一些有趣的情况下的优势和局限性，并提供了代码的规模和功能与细胞固定网格细化的能力的初步迹象。
2015-07-08 astro-ph.IM cs.SE
GRMHD in axisymmetric dynamical spacetimes: the X-ECHO code
本文提出了一种新的动力学时空中广义相对论磁流体力学（GRMHD）的数值计算程序X-ECHO。这是为了研究天体物理的情况下，强引力和磁场都应该发挥重要作用，如磁化中子星的演变或引力坍缩的磁化旋转核心的大质量恒星，这是天体物理的情况下，相信最终会导致（长期）伽玛射线暴事件。该代码基于欧拉保守高阶（ECHO）方案的扩展[Del Zanna等人，A&A 473，11（2007）]，这里耦合到扩展共形平坦条件（XCFC）中的爱因斯坦方程的新求解器。我们充分利用3+1欧拉形式主义，使所有的方程都写在熟悉的三维矢量和张量单独，我们采用球坐标的共形背景度量，我们考虑轴对称时空和流体配置。的GRMHD守恒律通过冲击捕获方法在有限差分离散求解，而在同一数值网格上，爱因斯坦椭圆方程处理诉诸球谐分解和解决，为每个谐波，通过反转带对角矩阵。作为一个副产品，我们建立并提供给社会的代码产生GRMHD轴对称平衡多方相对论性恒星存在的差异旋转和一个纯粹的环形磁场。它使用与主代码相同的XCFC度量求解器，并命名为XNS。XNS和完整的X-ECHO代码都通过几个天体物理学测试进行了验证。
2011-01-26 astro-ph.IM
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
A Discontinuous Galerkin Solver in the FLASH Multi-Physics Framework
在本文中，我们提出了一个基于Markert等人（2021）先前工作的非连续Galerkin求解器，用于磁流体动力学，其形式是一个新的流体求解器模块，该模块集成到已建立且众所周知的多物理场模拟代码FLASH中。我们的目标是使未来的研究的能力和潜在的优势，不连续的Galerkin方法复杂的多物理场模拟天体物理环境。我们给出了具体的细节和调整，我们的实施在FLASH框架内，并提出了广泛的验证和测试案例，特别是它与其他几个物理模块，如（自）重力和辐射转移的相互作用。我们的结论是，新的DG求解器模块在FLASH中准备用于天体物理模拟，从而准备评估和调查。
2022-02-25 astro-ph.IM cs.NA math.NA
Cholla : A New Massively-Parallel Hydrodynamics Code For Astrophysical Simulation
我们提出了Cholla（ParaLLel架构上的计算流体力学），这是一种新的三维流体力学代码，利用图形处理单元（GPU）的强大功能来加速天体物理模拟。Cholla使用最先进的技术在静态网格上对欧拉方程进行建模，包括不分裂角点传输逆风（CTU）算法，各种精确和近似的黎曼解算器，以及包括分段抛物方法（PPM）在内的多种空间重建技术。使用GPU，Cholla可以同时进化数千个细胞的流体属性，并且可以在使用精确的黎曼解算器和PPM重建的同时，每GPU每秒更新超过1000万个细胞。由于GPU的并行架构和Cholla代码的设计，具有物理上有趣的网格分辨率（> 256^3）的天体物理模拟可以很容易地在单个设备上计算。我们使用消息传递接口库将计算扩展到多个设备上，并展示了超过64个GPU的近乎理想的扩展能力。一套测试问题突出了我们的建模的物理精度，并提供了一个有用的比较，其他代码。然后，我们使用Cholla来模拟激波与气体云在星际介质中的相互作用，表明云的演化高度依赖于其密度结构。我们调和计算的混合时间的湍流云与一个现实的密度分布破坏了一个强冲击与现有的分析理论球形云破坏描述系统的中值气体密度。
2015-03-06 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
A self-gravity module for the PLUTO code
本文为PLUTO代码提出了一种基于RKL方法的泊松方程迭代求解器，并将其整合到多重网格求解器中，为自引力流体动力学提供了一种高效且可完全并行的引力求解替代方案。
2023-09-14 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
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
GenASiS Mathematics: Object-oriented manifolds, operations, and solvers for large-scale physics simulations
由偏微分方程控制的物理场系统的大规模计算机模拟需要某种方法来近似连续性的数学极限。例如，守恒律经常用“有限体积”方法来处理，在这种方法中，空间被划分成大量的小“单元”，通过单元面的通量提供了一种直观的离散化，这种离散化是根据发散算子的数学定义来建模的。在这里，我们描述并提供Fortran 2003类家具可扩展的面向对象的实现简单的网格和通用的保守电流的演变，随着个人的“单元测试”程序和更大的例子问题，证明他们的使用。这些课程开创了我们正在开发的天体物理模拟代码GenASiS（通用天体物理模拟系统）的数学部分，该代码将随着时间的推移而扩展，包括额外的网格选项，数学运算，求解器类型和适用于许多多物理场应用的求解器变体。
2017-09-13 astro-ph.HE astro-ph.IM physics.comp-ph
SWIFT: A modern highly-parallel gravity and smoothed particle hydrodynamics solver for astrophysical and cosmological applications
本文介绍开源并行代码 SWIFT，通过任务并行、异步通信和工作负载均衡的域分解，结合快速多极引力与多种 SPH 方案，实现约 3000 亿粒子规模的宇宙学模拟并展示优异弱扩展性能。
2024-03-29 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.GA
Octo-Tiger's New Hydro Module and Performance Using HPX+CUDA on ORNL's Summit
Tiger是一个三维自引力天体物理流体建模的代码。它是专门为研究相互作用的双星之间的动态质量转移而设计的。Tiger使用异步多任务运行时系统、C++并行和并发标准库（HPX）为分布式系统进行并行化，并使用CUDA进行重力求解。最近，我们已经改造了Tiger的水力求解器，以使用三维重建方案。此外，我们已经移植到GPU使用CUDA内核的水力求解器。我们目前的缩放结果，新的水力内核上ORNL的首脑会议机使用Sedov-Taylor爆炸波问题。我们还比较了Tiger的新的水电方案与旧的水电方案，使用旋转星作为测试问题。
2021-07-26 astro-ph.IM cs.DC
WENO-Wombat: Scalable Fifth-Order Constrained-Transport Magnetohydrodynamics for Astrophysical Applications
随着计算能力的提高，高阶欧拉格式将在未来几年内成为模拟天体物理流体中湍流和磁场放大的重要手段。我们提出了一个五阶加权基本上无振荡的计划，约束输运磁流体动力学到代码WOMBAT的实现。我们建立了我们的实现与广泛的测试数量的正确性。我们发现，五阶计划执行作为一个共同的二阶计划在一半的分辨率准确。我们认为，对于一个给定的解决方案的质量，新的计划是更低的顺序计划在三维计算效率。我们还建立了性能特点的求解器在WOMBAT框架。我们的实现在线程本地内存中使用扁平数组完全向量化。它在Intel Broadwell上的执行速度约为每节点每秒60万个区域。我们目前的扩展测试的代码高达98000个核心的Cray XC 40机器“榛母鸡”，持续的性能约5%的峰值规模。
2018-12-11 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
New numerical solver for flows at various Mach numbers
恒星天体物理学中的许多问题都是以低马赫数下的流动为特征的。该领域常用的传统可压缩流体动力学方案是针对跨音速区域开发的，并且对这些流动表现出过度的数值耗散。虽然提出的方案严格地在低马赫数范围内解决流体动力学问题，从而限制了它们的适用性，但我们的目标是开发一种在宽马赫数范围内正确工作的方案。基于对欧拉方程在低马赫极限下的渐近行为的分析，我们提出了一种新的方案，该方案能够保持低马赫数流动设置，同时保留所有可压缩性的影响。这是通过对众所周知的Roe求解器进行适当修改来实现的。数值试验表明，即使在中等数值分辨率下，这种新格式也能再现慢流结构。我们的方案提供了一个有前途的方法，一致的多维流体动力学处理天体物理低马赫数问题，如对流，不稳定性，混合在恒星演化。
2015-02-06 astro-ph.IM astro-ph.SR 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
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
Astrophysical hydrodynamics with a high-order discontinuous Galerkin scheme and adaptive mesh refinement
在许多天体物理模拟中，尽可能精确和有效地求解理想流体力学的欧拉方程是一个关键的要求。因此，重要的是不断推进目前天体物理学代码中采用的数值方法，特别是考虑到计算机技术的不断发展，计算机技术对某些计算方法的支持超过了其他方法。在这里，我们介绍了新的自适应网格加密（AMR）代码TENET，它采用了高阶间断伽辽金（DG）计划的流体动力学。该方法通过显式龙格-库塔时间积分和Gauss-Legendre积分，将欧拉方程组转化为多项式基的弱形式。这种方法提供了显着的优势，通常采用的二阶有限体积（FV）求解器。特别地，高阶能力使其在计算上更有效，在这个意义上，可以以显著更少的计算成本获得相同的精度。此外，DG方案固有地在没有限制发生的区域中保持角动量，并且它通常产生比FV方法小得多的数值扩散和平流误差。另一个优点在于AMR细化边界的更自然的处理，其中可以避免回退到一阶。最后，DG在高阶不需要宽的扩展，并且提供了改进的数据局部性和对局部计算的关注，这对于当前和即将到来的高度并行的超级计算机是有利的。我们描述了我们的新代码的制定和实施细节，并展示了它的性能和准确性与一组二维和三维的测试问题。结果证实，DG计划有很高的潜力，天体物理应用。
2015-10-30 astro-ph.CO astro-ph.IM
Bridging Machine Learning and Cosmological Simulations: Using Neural Operators to emulate Chemical Evolution
本研究探索使用Neural Operators模拟Grackle化学求解器，通过构建DeepONet变体在保证精度的同时实现高达六倍的计算加速，为缓解天体物理模拟中的计算瓶颈提供了新方法。
2025-07-15 astro-ph.CO astro-ph.IM physics.comp-ph
cuRAMSES: Scalable AMR Optimizations for Large-Scale Cosmological Simulations
Center for Advanced Computation, Korea Institute for Advanced Study（韩国高等科学研究院先进计算中心）
针对RAMSES自适应网格细化代码，提出递归k段域分解、Morton键哈希表、空间哈希分箱等优化策略，显著提升强扩展性、降低内存占用并加速反馈例程，同时实现GPU加速。
2026-06-02 astro-ph.GA astro-ph.IM
A Subluminal Relativistic Magnetohydrodynamics Scheme with ADER-WENO Predictor and Multidimensional Riemann Solver-Based Corrector
相对论性磁流体动力学（RMHD）方程组最近在天体物理计算中得到了越来越多的应用。即便如此，RMHD代码仍然很脆弱。重建有时会在网格的某些部分产生超光速。在本文中，我们提出了一种重建策略，克服了这个问题，使一个单一的保守的原始转换每个细胞，然后高阶WENO重建一组精心选择的原语，保证亚光速重建的流量变量。对于通过预测步骤的时间演化，我们还提出了二阶，三阶和四阶精确的ADER方法，保持速度在预测步骤。RMHD系统还要求磁场以无发散的方式演化。在经典数值MHD的治疗类似的问题已经看到了最近的进展与多维黎曼解的出现。通过开发RMHD的多维黎曼解算器，我们表明，类似的进步延伸到RMHD。结果，在校正步骤中使用边缘中心电场可以更精确地演化面中心磁场。这些边缘中心的电场来自一个多维黎曼求解RMHD，我们在本文中提出。在本文中，我们还开发了几个新的测试问题RMHD。我们表明，RMHD涡可以设计的计算网格上传播的自我保护的结构。这些RMHD涡测试问题提供了一种手段，做真正的多维精度测试RMHD代码。其他几个严格的测试问题。我们在某些测试问题的分辨率的重要性。我们的测试包括一个演示，RMHD涡是稳定的，当他们与冲击相互作用。
2016-02-01 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
A fast spectral-multigrid Poisson solver in non-Cartesian geometries
Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Torino
提出一种结合方位角傅里叶分解与几何一致多重网格的泊松求解器，支持球/柱坐标均匀或对数网格，实现二阶精度、真空边界条件及高效并行，适用于天体物理自引力模拟。
2026-06-17 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.HE
Astrophysical fluid simulations of thermally ideal gases with non-constant adiabatic index: numerical implementation
状态方程（\textit{EoS}）关闭流体方程组。尽管具有恒定\textit{adiabatic index} $Γ$的理想EoS由于其简单的实现而成为优选，但是许多天体物理流体模拟可以受益于可以解释不同化学过程的更复杂的处理。在这里，我们首先审查的基本热力学原理的气体混合物在其热和热量EoS包括电离，解离以及温度依赖的自由度，如分子振动和旋转的影响。该配方是重新审视的等离子体的背景下，无论是在平衡条件下（本地热力学或碰撞激发-平衡）或描述的非平衡化学耦合到光学薄辐射冷却。然后，我们提出了一个数值实现的热理想气体服从一个更一般的热量EoS与非常数绝热指数在Godunov型numerical schemes.We讨论了必要的修改，黎曼求解器和之间的转换，总能量和压力（反之亦然），常规调用Godunov型计划。然后，我们提出了两种不同的方法来计算EoS。第一个采用根查找方法，它是最适合EoS的分析形式。第二个依靠查找表和插值，并在一个更有效的计算方法的结果，但必须小心，以确保热力学的一致性。一些选定的基准表明，就业的非理想的EoS可以导致重要的差异时，温度范围是$500-10^4$ K的解离和电离发生的解决方案。所选EoS的实现引入了额外的计算成本，尽管使用查找表方法可以将开销显著降低$3\sim 4$。
2015-06-04 astro-ph.IM astro-ph.SR
Ray-trax: Fast, Time-Dependent, and Differentiable Ray Tracing for On-the-fly Radiative Transfer in Turbulent Astrophysical Flows
Interdisciplinary Center for Scientific Computing, Heidelberg University（海德堡大学跨学科科学计算中心）
针对计算天体物理学中辐射传输的瓶颈问题，本文提出面向GPU的完全可微分3D光线追踪器Ray-trax，支持即时发射-吸收近似、任意频率箱及端到端梯度，经解析解验证高效，可耦合可微分流体求解器并执行逆问题。
2025-11-12 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
Accelerating self-gravitating hydrodynamics simulations with adaptive force updates
许多天体物理流体动力学模拟必须考虑重力，并且在所有分辨率元素的位置处评估引力场会产生显著的成本。典型的算法在每次元素被流体动力学地更新时更新每个分辨率元素的位置处的引力场，但是流体动力学和重力的实际所需的更新频率通常可以不同。我们表明，在流体力学模拟中的重力计算可以优化，只更新重力的时间尺度上已经确定的最大时间步长精确的重力积分$Δt_{\rm grav}$，同时保持在典型的错误预算的水力方案和重力求解器。我们在GIZMO代码中的实现使用Grudić & Hopkins 2020中引入的潮汐时间尺度来依次确定$Δt_{\rm grav}$和力更新频率，并使用重力求解器评估的加加速度来构建更新之间使用的加速度预测器。我们在标准的自引力流体力学测试问题上测试了该方案，找到了非常接近原始方案的解决方案，同时评估了更少的重力，优化了模拟。我们还展示了一个$\sim 70\%$加速在STARFORGE MHD GMC模拟，更大的收益可能在更高的分辨率运行。在一般情况下，该方案引入了一个新的可调参数，用于获得精度和计算成本之间的最佳折衷，结合例如时间步长公差，数值分辨率和重力求解器公差。
2021-07-14 astro-ph.GA astro-ph.IM
Chemical complexity in astrophysical simulations: optimization and reduction techniques
化学在星际介质的演化过程中起着关键作用，因此在数值模拟中跟踪其演化过程是非常必要的。然而，当应用于大型系统时，它可能很容易支配计算成本。在本文中，我们讨论了两种方法来减少这些成本：（i）基于计算策略，（ii）基于化学网络的性质和拓扑结构。第一种方法更稳健，而第二种方法旨在提供关于大型复杂网络结构的重要信息。为了这个目的，我们首先讨论的数值求解器集成系统的常微分方程（ODE）与化学网络。然后，我们提出了一个缓冲区的方法，减少了在解决ODE系统的计算时间。我们进一步讨论了一个通量为基础的方法，允许一个确定，然后在飞行中削减不太活跃的反应。此外，我们还提出了一种拓扑方法来选择最可能的物种，将在化学进化过程中活跃，从而获得信息的化学网络，否则将难以检索。这种拓扑技术也可以作为一个先验的减少任何规模的网络的方法。我们将这些方法实现到一维拉格朗日流体动力学代码中以测试它们的效果：这两个类都导致了大的计算速度提升，范围从x2到x5。我们还测试了一些混合的方法，发现耦合的通量方法与缓冲区的策略，给出了最好的鲁棒性和计算速度之间的权衡。
2013-02-13 astro-ph.GA astro-ph.IM physics.comp-ph
