Generating Optimal Initial Conditions for Smoothed Particle Hydrodynamics Simulations
我们回顾现有的SPH设置方法，并概述其优点，局限性和缺点。我们提出了一种新的方法来构建初始条件的光滑粒子流体动力学（SPH）模拟，这也可能是感兴趣的N体模拟，并证明了这种方法的应用。这种新方法的灵感来自于使用加权Voronoi细分的自适应分箱技术。粒子根据其与相邻粒子的接近程度和所需的空间分辨率进行放置和迭代移动。这种新方法可以满足任意复杂的空间分辨率要求。
2015-11-13 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
SIRIUS project. I. Star formation models for star-by-star simulations of star clusters and galaxy formation
大多数恒星在星系中形成为星团，然后分散成星系盘。即将到来的艾级超级计算设施将能够通过解析单个恒星（逐星模拟）来模拟星系及其形成。这将大大推进我们对星系中恒星形成、团簇形成和星系组装历史的理解。在以前的星系模拟中，使用了一个简单的恒星星族近似。然而，很难用这种近似来提高质量分辨率。因此，必须建立一个可以用于模拟星系的单个恒星形成模型。在SIRIUS（SIMULAIONS RESOLVING INDIDUAL STARS）项目的第一篇论文中，我们展示了一个用于逐星模拟的随机恒星形成模型。一个假设的恒星初始质量函数（IMF）被随机分配给新形成的恒星。我们引入了一个最大搜索半径来聚集周围气体粒子的质量，形成恒星粒子。在这项研究中，我们进行了一系列的N体/光滑粒子流体动力学模拟恒星团簇形成从湍流分子云和超微弱的矮星系作为测试用例。IMF可以正确地采样，如果一个最大的搜索半径，这是大于从阈值密度恒星形成的估计值被采用。在小星云中，大质量恒星的形成是高度随机的，因为恒星的数量很少。我们证实，恒星形成效率和阈值密度不会强烈影响结果。我们发现，我们的模型可以自然地再现最大质量的恒星和星团的总恒星质量之间的关系。在这里，我们表明，我们的模型可以应用于模拟不同的星团星系的分辨率范围很广。
2021-04-17 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
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
Inconsistencies arising from the coupling of galaxy formation sub-grid models to Pressure-Smoothed Particle Hydrodynamics
光滑粒子流体动力学（SPH）是一种拉格朗日方法，用于求解天体物理学中常见的流体方程，因其自然的适应性和稳定性而备受赞誉。SPH中平滑变量的选择一直是争论的话题，引入平滑压力（P-SPH）以减少接触不连续性相对于平滑密度方案的误差。平滑的压力方案在孤立的流体力学测试中产生了极好的结果;然而，在更复杂的情况下，特别是当与许多最先进的天体物理学模拟中使用的“次网格”物理和多时间步进相结合时，这些方案产生了很大的力误差，由于它们不表现为能量不守恒，很容易逃避检测。这里有两种情况进行评估：能量注入流体（常见的恒星反馈）和辐射冷却。在前一种情况下，力和能量守恒误差显现（与注入的能量具有相同的量级），而在后一种情况下，在几个时间步内快速变化的大的力误差导致流体中的不稳定性（与冷却损失的能量具有相同的量级）。解决这些问题的潜在方法进行了探讨，解决方案通常会导致计算成本大幅增加。使用基于密度的公式的方案不会产生这些不稳定性，因此，建议在与能量扩散项结合以减少接触不连续处的误差时，它们优先于基于压力的解决方案。
2020-11-23 astro-ph.GA astro-ph.IM
Smoothed Particle Hydrodynamics: Things I wish my mother taught me
我讨论了光滑粒子流体动力学（SPH）作为一种数值方法的主要特点-特别是SPH和更标准的基于网格的方法之间的关键差异-这对从业者很重要。这些包括对流的精确处理，没有内在耗散，精确的守恒和更微妙的性质，产生于其哈密顿公式，如粒子的最低能量状态的存在。每一个这些的影响进行了讨论，显示它们如何可以是优点和缺点。
2011-11-04 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
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: 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
Smoothed-Particle Hydrodynamics Models: Implementation Features on GPUs
采用GPU-Direct技术，研究了自引力气体动力学模型在多个GPU上的并行实现特点。详细介绍了基于OpenMP-CUDA混合并行编程模型求解自引力气体动力学问题的并行算法。气动力用改进的SPH方法（光滑粒子流体动力学）计算，N体问题引力相互作用用直接方法（粒子-粒子算法）计算。SPH方法性能的关键因素是创建参与气体动力计算的粒子的邻居列表。我们的实现是基于分层网格排序方法使用级联算法的并行计算部分和CUDA块。在银河系气晕碰撞模型的框架下，采用SPH方法研究了该算法在Nvidia Tesla系列（K20，K40，K80）不同GPU上的并行效率。
2018-07-21 astro-ph.GA physics.comp-ph
The Kelvin-Helmholtz instability and smoothed particle hydrodynamics
近年来，人们对评估天体物理流体动力学代码正确模拟开尔文-亥姆霍兹不稳定性的能力很感兴趣。光滑粒子流体动力学（SPH），特别是，已经受到了极大的关注，虽然还没有一个明确的证明，SPH产生收敛的解决方案，是在协议与其他方法。我们使用Lecoanet等人（2016）提出的测试问题对Kelvin-Helmholtz不稳定性进行了SPH模拟。我们证明了SPH的解决方案收敛到参考解决方案在线性和非线性制度。通过使用物理Navier-Stokes粘度和热导率实现了强非线性区域的定量收敛。我们的结论是，标准SPH与人工粘度可以正确地捕捉开尔文-亥姆霍兹不稳定性。
2019-08-14 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Sphenix: Smoothed Particle Hydrodynamics for the next generation of galaxy formation simulations
光滑粒子流体动力学（SPH）是一种普遍存在的求解流体方程的数值方法，具有守恒性、自适应性和简单性等优点。我们介绍了Sphenix SPH方案，该方案的设计考虑了三个关键目标：与注入能量的子网格物理模块一起工作，具有高度的计算效率（无论是在计算和内存方面），并且是拉格朗日的。Sphenix使用密度-能量运动方程，以及可变的人工粘性和传导，包括旨在与星系形成的常见子网格模型一起工作的限制器。特别是，我们提出并测试了一种新的限制器，防止跨冲击传导，防止反馈事件中的杂散辐射损失。Sphenix被证明可以解决传统SPH的许多困难的测试问题，包括流体混合和涡量守恒，并且在所有适当的测试中都会产生收敛行为。至关重要的是，我们在Sphenix中对各种交换机使用相同的参数，以证明该方案的性能，因为它将用于生产模拟。
2021-10-28 astro-ph.GA astro-ph.IM
SPHGal: Smoothed Particle Hydrodynamics with improved accuracy for Galaxy simulations
我们提出了光滑粒子流体动力学实现SPHGal，它结合了一些最近提出的改进GADGET。这包括具有Wendland核的压力-熵公式、速度梯度的高阶估计、具有修改的强限制器的修改的人工粘度开关以及人工热能传导。一系列理想化的流体动力学试验表明，压力-熵公式是理想的解决流体混合接触不连续性，但表现明显较差，在强冲击，由于大熵的不连续性。在冲击时包括人工传导大大改善了结果。在模拟银河系盘状星系的反馈引起的不稳定性发展，如果太多的人工粘度被引入。我们修改后的人工粘性计划，防止这种不稳定性，并显示出有效的冲击捕获能力。我们还研究了恒星形成率和星系外流。不同的SPH方案的恒星形成率略有不同，而质量负载是敏感的SPH方案，并显着减少在我们青睐的实现。我们比较了热晕气体的吸积行为。冷团块的形成，简单SPH实现的伪影，可以通过适当的流体混合有效地消除，或者通过传导和/或通过使用压力-熵公式。
2014-07-29 astro-ph.CO astro-ph.GA
Smoothed Particle Radiation Hydrodynamics: Two-Moment method with Local Eddington Tensor Closure
我们提出了一种新的辐射转移方法（SPH-M1 RT），该方法与平滑粒子流体动力学（SPH）动态耦合。我们实现它在（基于任务的并行）SWIFT星系模拟代码，但它可以直接实现在其他SPH代码。我们的基于矩的方法同时解决了辐射能量和通量方程SPH，使其适应在空间和时间。我们修改的M1封闭关系，以稳定在光学薄极限的辐射锋。我们还介绍了各向异性的人工粘性和高阶人工扩散计划，这使得代码能够准确地处理辐射传输的光学薄和光学厚制度。采用半隐式子循环技术求解非平衡热化学。我们的方法的计算成本是独立的源的数量，并可以进一步降低通过使用降低光速近似。我们证明了我们的方法的鲁棒性，将其应用到一组标准的测试从宇宙学辐射转移比较项目的Iliev等人。SPH-M1 RT计划是非常适合建模的情况下，许多来源发出电离辐射，如宇宙学模拟星系形成或模拟的星际介质。
2021-07-04 astro-ph.GA astro-ph.IM
rpSPH: a novel Smoothed Particle Hydrodynamics Algorithm
我们提出了一种新的离散化的动量方程光滑粒子流体动力学（SPH），并表明，它显着提高了所获得的解决方案的准确性。我们的新公式称为相对压力SPH，rpSPH，相对于局部压力计算压力。它遵循牛顿第一运动定律，只有当有净力作用在粒子上时，才对粒子施加力。这与标准SPH相反，SPH明确地使用牛顿第三运动定律，在粒子之间连续施加相等但相反的力。rpSPH不显示标准SPH中发现的非物理颗粒噪声、聚集或条带不稳定性、非物理表面张力和不同质量颗粒的非物理散射。同时，它使用更少的计算操作。并且仅改变现有SPH代码中的单行。我们展示了它的等压均匀密度分布，均匀密度剪切流，开尔文-亥姆霍兹和瑞利-泰勒不稳定性，Sod激波管，Sedov-泰勒爆炸波和宇宙学积分的圣巴巴拉星系团形成测试的性能。rpSPH是这些情况下的一种改进。这些改进是以放弃格式的精确动量守恒为代价的。因此，人们也可以获得非物理的解决方案，特别是在低分辨率。
2010-12-01 astro-ph.CO astro-ph.GA
Resolving mixing in Smoothed Particle Hydrodynamics
光滑粒子流体动力学（SPH）的标准公式无法解决流体边界处的混合。我们使用的广义SPH运动方程的误差和稳定性分析证明，这是由于两个不同的问题。第一个是动量方程中的领先阶误差。这应该随着相邻数的增加而减少，但不会因为数值不稳定性导致内核被不规则地采样。我们确定了两个重要的不稳定性：结块不稳定性和带状不稳定性，我们表明，这两个都是治愈一个合适的选择内核。第二个问题是局部混合不稳定性（LMI）。这发生在粒子试图在内核尺度上混合，但由于熵守恒而无法混合时。其结果是在边界处的压力不连续性，将不同熵的流体推开。我们使用加权密度估计，确保压力是单值的整个流动的LMI固化。这也为粒子提供了更好的体积估计，减少了连续性和动量方程中的误差。我们证明混合在我们新的优化光滑粒子流体动力学（OSPH）计划使用开尔文亥姆霍兹不稳定性（KHI）测试密度对比度1：2，和“斑点测试”-1：10密度比气体球在风洞中-发现OSPH和欧拉代码之间的良好协议。
2010-05-24 astro-ph.CO astro-ph.EP astro-ph.GA
Reliable estimation of the column density in Smoothed Particle Hydrodynamic simulations
我们描述了一个简单的方法来估计垂直柱密度光滑粒子流体动力学（SPH）模拟光盘。与Stamatellos等人（2007）的方法一样，柱密度是使用预先计算的局部量估计的，然后用于估计辐射冷却速率。冷却速率是一个相当重要的量，例如，在评估椎间盘碎裂的可能性时。我们的方法有三个步骤：（i）使用重力加速度的垂直分量来估计从颗粒到中间平面的柱密度，（ii）计算从中间平面到圆盘表面的“总表面密度”，（iii）从（i）和（ii）之间的差来计算从每个颗粒到表面的柱密度。这种方法被证明大大提高了准确性的列密度估计光盘几何相比，方法的Stamatellos。另一方面，虽然我们的方法的准确性仍然是可以接受的情况下，高密度的碎片内形成的光盘，我们发现，Stamatellos方法比我们的方法在这方面的表现更好。因此，混合方法（其中该方法在大的过密度区域中切换）可能是最佳的。
2012-07-27 astro-ph.GA astro-ph.IM
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
Tensor classification of structure in smoothed particle hydrodynamics density fields
随着流体动力学模拟的规模和分辨率的增加，识别具有非平凡几何形状或一般感兴趣区域的结构变得越来越具有挑战性。有一个不断增长的需要，在模拟识别各种不同的功能，而不需要一个“眼睛”的搜索算法。我们提出张量分类作为这样一种技术的光滑粒子流体动力学（SPH）。这些方法已经在N体宇宙学模拟中取得了很大的效果，这需要定义为输入自由参数的平滑。我们表明，张量分类成功地确定了广泛的结构SPH密度场使用其原生平滑，从分析中删除一个自由参数，并防止需要镶嵌的密度场，所需的一些分类算法。作为例子，我们表明，张量分类使用的潮汐张量和速度剪切张量成功地识别长丝，壳和片结构在巨大的分子云模拟，以及在光盘的螺旋臂。使用不同张量确定的结构之间的关系说明了不同的力如何竞争和合作，以产生所观察到的密度场。因此，我们提倡使用多张量来分类SPH模拟中的结构，揭示多个物理过程的相互作用。
2016-01-11 astro-ph.EP astro-ph.GA astro-ph.IM
The Kelvin-Helmholtz instability and smoothed particle hydrodynamics
我们使用光滑粒子流体动力学（SPH）的Kelvin-Helmholtz不稳定性进行模拟。在线性和强非线性制度的不稳定性进行了研究。使用Lecoanet等人（2016）的光滑，适定的初始条件，以及显式的Navier-Stokes粘度和热导率，以加强非线性区域的演化。我们证明收敛到参考解决方案，使用SPH。通过被动标量“色”场测量的涡旋结构的演变和混合程度与参考溶液相匹配。具有初始密度对比的测试产生正确的定性行为。SPH计算的L2误差随着分辨率的增加而减小。误差的主要来源是人工粘性引起的数值耗散，降低人工粘性的试验降低了L2误差。为了解决种子模式的初始速度幅值和抑制寄生模式的激发，需要高阶平滑核。我们发现，标准SPH与人工粘度没有困难，正确建模的开尔文-亥姆霍兹不稳定性，并产生收敛的解决方案。
2019-07-09 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.HE
