pyro: A teaching code for computational astrophysical hydrodynamics
我们描述pyro:一个简单的,免费提供的代码,以帮助学生学习广泛用于天体物理学的计算流体力学方法。pyro是以简单和学习为目的编写的,旨在让学生实验该领域流行的各种方法,包括平流,可压缩和不可压缩流体力学,多重网格和有限体积框架中的扩散。我们展示了Pyro的一些测试问题,描述了它的设计理念,并为学生提供了扩展,以建立他们对这些方法的理解。
2014-06-12 astro-ph.IM physics.ed-ph
The Kratos Framework for Heterogeneous Astrophysical Simulations: Fundamental Infrastructures and Hydrodynamics
本文提出基于GPU的异构模拟系统Kratos框架,通过设备抽象层等基础设施和混合精度优化的流体动力学模块,在保持机器精度守恒的同时实现高效计算,为天体物理研究提供强大工具。
2025-03-03 astro-ph.IM
SPARCS -- combining radiation hydrodynamics with non-equilibrium metal chemistry in the SWIFT astrophysical code
the Chinese University of Hong Kong(香港中文大学);the University of Chicago(芝加哥大学);University of Hull(赫尔大学);Durham University(杜伦大学);Leiden University(莱顿大学);École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)(洛桑联邦理工学院);Université de Genève(日内瓦大学)
SPARCS结合SPH-M1RT辐射传输方法与CHIMES非平衡金属化学求解器,实现辐射流体动力学模拟,研究星系际介质中非平衡效应和不均质性对离子分数的影响。
2026-03-20 astro-ph.GA astro-ph.IM
RAMSES-yOMP: Performance Optimizations for the Astrophysical Hydrodynamic Simulation Code RAMSES
RAMSES-yOMP通过在MPI并行化中引入OpenMP混合并行,解决了RAMSES在大规模多尺度天体物理模拟中负载分配和内存效率低下的问题,在相同处理器数量下实现运行时间减半、内存减少75%、存储减少30%的性能提升。
2024-11-21 astro-ph.GA astro-ph.IM
An Improved Method for Coupling Hydrodynamics with Astrophysical Reaction Networks
由于难以准确地耦合流体动力学和反应,反应天体物理流的建模可能具有挑战性。这在爆炸燃烧或建立核统计平衡的高温下可能特别严重。我们开发了一种新的方法的基础上的想法的光谱延迟校正(SDC)耦合显式流体动力学和刚性反应源作为一种替代算子分裂,比更全面的SDC方法,我们以前证明了简单。我们将新方法应用于一个中等大小的天体物理核反应网络的双爆轰问题,并探讨了时间步长和反应网络的公差,以表明,简化的SDC方法提供了改进的耦合与传统的Strang算子分裂相比,降低了计算费用。这一切都是在卡斯特罗流体动力学代码的框架内完成的,所有算法实现都是免费的。
2022-07-26 astro-ph.IM nucl-th
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
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
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
Hyperbolic Self-Gravity Solver for Large Scale Hydrodynamical Simulations
提出了一种新的计算效率高的方法来处理基于网格的流体动力学模拟中的自重。它是简单地应用通过稍微修改泊松方程成一个非齐次波动方程。这大致相当于广义相对论中爱因斯坦方程的弱场极限,只要引力传播速度大于流体动力学特征速度,结果与泊松方程的解一致。如果区域取得足够大,或给出适当的边界条件,则解几乎完全一致。与现有方法相比,新方法不仅可以大大减少计算时间,而且与大规模并行计算、嵌套网格和自适应网格加密技术完全兼容,这些都可以加速计算天体物理和宇宙学的发展。
2016-03-29 astro-ph.IM
Testing the concept of integral approach to derivatives within the smoothed particle hydrodynamics technique in astrophysical scenarios
分析了基于张量公式的全守恒SPH格式IAD_0在几种天体物理场景下的行为,并与标准SPH方法进行了比较。所提出的流体动力学方案进行了验证,使用各种数值试验,涵盖天体物理学中的重要课题,如超新星遗迹的演变,自引力体的稳定性和紧凑的物体的合并。结果表明,SPH格式建立与积分方法的衍生物的前提下,改善了标准的SPH技术的结果。特别是,它被观察到一个更好的发展的流体动力学不稳定性,一个改进的描述在平衡状态下的自引力结构和一个合理的描述的过程中的两个白矮星的合并。一个很好的能量,线和角动量守恒,一般优于标准的SPH,也得到了。此外,新方案不易受到配对不稳定性的影响。
2012-08-28 astro-ph.IM
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
Bonsai-SPH: A GPU accelerated astrophysical Smoothed Particle Hydrodynamics code
我们提出的光滑粒子流体动力学模拟代码,Bonsai-SPH,这是我们以前开发的重力只分层$N$体代码(称为盆景)的延续。该代码针对图形处理单元(GPU)加速器进行了优化,使研究人员能够利用这些强大的计算资源。Bonsa-SPH产生的模拟结果与最先进的,基于CPU的,代码,但使用一个数量级更少的计算时间。该代码可以在网上免费获得,详细信息在本工作中描述。
2020-02-14 astro-ph.IM cs.DC physics.comp-ph
Trident: a universal tool for generating synthetic absorption spectra from astrophysical simulations
流体动力学模拟越来越能够准确地模拟恒星,银河和宇宙尺度上的物理系统,然而,这些模拟的实用性往往受到我们直接将其与观测者产生的数据集进行比较的能力的限制:为了解决这个问题,我们创建了Trident,一个基于Python的,用于后处理流体动力学模拟以生成合成吸收光谱和相关数据的开源工具。Trident}可以(i)通过模拟背景类星体和下桶配置的模拟数据集为任何轨迹创建吸收线光谱,(ii)再现像宇宙起源摄谱仪这样的常见仪器的光谱特性,(iii)使用可定制的吸收线列表在紫外线、光学和红外线上操作,(iv)直接跟踪模拟的物理结构到光谱特征,(v)近似模拟输出中缺少的离子种类的存在,(vi)生成任何离子的柱密度图,以及(vii)为所有主要的天体物理流体动力学代码提供支持。Trident开发的重点是使用模拟数据集来更好地解释环星系介质(CGM)和星系间介质(IGM)的观测结果,但它仍然是适用于其他环境的通用工具。
2017-09-22 astro-ph.GA astro-ph.IM
Astrophysical Smooth Particle Hydrodynamics
本文详细介绍了光滑粒子流体动力学(SPH)方法,特别是侧重于它的天体物理应用。我们首先介绍基本的思想和概念,从而概述了在一个工作的SPH代码的方法的实际实现所必需的所有成分。SPH的成功很大程度上依赖于其优良的守恒性质,因此物理不变量的数值守恒在整个审查中受到了很大的关注。从理想流体的拉格朗日量推导SPH方程的自洽性是本书其余部分的共同主题。我们从理想流体的拉格朗日量中推导出一个现代的牛顿SPH公式。它占的局部分辨率长度的变化,导致纠正,所谓的“梯度h项”。我们将这一策略推广到狭义相对论,并推导出相应的梯度h方程组。变分方法进一步适用于广义相对论流体在一个固定的,弯曲的背景时空演变。特别注意以连贯的方式显式导出所有相关方程。
2009-08-05 astro-ph.IM
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
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
Axisymmetric magneto-hydrodynamics with SPH
许多有趣的涉及磁场的地球和天体物理学场景可以在轴几何中进行处理。尽管拉格朗日光滑粒子流体动力学(SPH)技术已成功地扩展到处理磁流体动力学(MHD)问题,一个良好的验证,轴对称MHD计划的基础上SPH技术不存在。在这项工作中,我们提出并检查一个新的轴对称MHD流体动力学代码,可以应用于天体物理和工程问题,显示了足够的几何。我们表明,建立在这些轴对称的前提下的流体动力学代码是能够产生类似的结果,标准的3D-SPHMHD代码,但少得多的计算工作。
2022-07-03 astro-ph.IM
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
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
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
Multidimensional upwind hydrodynamics on unstructured meshes using Graphics Processing Units I. Two-dimensional uniform meshes
我们提出了一种新的方法,数值流体力学,它使用了多维广义的罗伊求解器和非结构化三角网格上操作。传统的方法的基础上黎曼求解器,通常使用一维通量估计作为构建块的多维整合的主要优势,是其固有的多维性质,因此,它的能力,以识别多维稳态,而不是流体静力学。第二个新颖之处是对图形处理单元(GPU)的关注。通过专门针对GPU定制算法,与台式机相比,我们能够获得100-250的加速比。我们比较多维迎风计划的一个传统的,尺寸分裂的实施Roe求解器上的几个测试问题,我们发现,新方法显着优于Roe求解器在几乎所有情况下。这会增加每个时间步长的计算成本,这使得新方法比作用于结构化网格的维度分裂方案慢大约2倍。
2017-05-04 astro-ph.IM physics.comp-ph
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
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
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
A Jacobian-free Newton-Krylov method for time-implicit multidimensional hydrodynamics
这项工作是我们努力开发一个高效的隐式求解器的多维流体动力学的目的,在恒星内部的重要物理过程,如湍流对流和超调的继续。我们提出了一个隐式求解器,结果从一个雅可比自由牛顿-克雷洛夫方法和一个预处理技术的结合,适合于无粘,可压缩的恒星流体动力学方程。我们评估的精度和性能的求解器的二维和三维问题的马赫数下降到$10^{-6}$。虽然我们的应用程序涉及恒星内部的流动,该方法可以应用于一般的平流和/或扩散为主的流动。本文提出的方法开辟了新的途径,在三维建模的现实恒星内部允许的重要问题的研究恒星的结构和演化。
2015-12-14 astro-ph.IM astro-ph.SR 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
Fornax: a Flexible Code for Multiphysics Astrophysical Simulations
本文介绍了我们的新的多组,多维辐射流体动力学(RHD)代码Fornax的设计和实施,并提供了一套代码测试,以验证其在广泛的物理制度的应用。而不是专门专注于测试中微子辐射流体动力学相关的核心塌陷超新星的问题,其中天炉座是主要的目的,我们在这里提出的经典和严格的演示代码性能相关的一个广泛的多维流体动力学和多组辐射流体动力学问题。我们的代码解决了comoving-frame辐射矩方程使用M1封闭,利用保守的高阶重建,采用半显式的物质和辐射输运通过高阶时间步进计划,并适用于应用到广泛的天体物理问题。为此,我们首先描述的哲学,算法和方法的天炉座,然后执行许多严格的代码测试,集体和大力行使的代码,展示了出色的数值保真度,它捕捉到了许多物理效应的辐射流体力学,并显示出色的强大的缩放远远超过100 k MPI任务。
2019-02-07 astro-ph.HE astro-ph.IM astro-ph.SR
Makemake + Sedna: A Continuum Radiation Transport and Photoionization Framework for Astrophysical Newtonian Fluid Dynamics
天体物理学的流体流动研究往往包括一个广泛的物理过程,以考虑系统的复杂性。除了重力,通过连续辐射传输和/或光电离的热力学过程的适当治疗正在成为国家的art. We提出了我们的连续辐射传输模块,MAKEMAKE,和一个新开发的模块光电离,SEDNA,耦合到磁流体动力学代码PLUTO的重大更新。这些扩展目前还没有公开;可以根据具体情况授予访问权限。我们解释的理论背景的方程求解,阐述了数值布局,并提出了一个全面的测试套件辐射电离流体力学。基于网格的辐射和电离模块支持笛卡尔、圆柱和球面坐标中的静态一维、二维和三维网格。每个模块将辐射场分为两个分量,一个直接源自点源-使用射线跟踪方案求解-和漫射分量-使用三维通量限制扩散(FLD)求解器求解。用于连续辐射输运的FLD求解器利用平衡单温度方法或线性化双温度方法。用于光电离模块的FLD求解器能够考虑从自由电子直接复合到氢的基态的辐射场的时间演化,作为现场近似的替代方案。简要概述了已完成和正在进行的科学研究,明确说明了数字框架的多用途性质。
2020-09-25 astro-ph.GA astro-ph.IM astro-ph.SR
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
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
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
Monte Carlo Radiation Hydrodynamics with Implicit Methods
我们探讨应用蒙特卡罗输运方法解决耦合辐射流体力学问题。我们使用一个时间相关的,频率相关的,三维辐射输运代码,这是特殊的相对论,包括一些详细的微物理相互作用,如共振线散射。我们耦合的运输代码到两个不同的1维(非相对论)流体动力学求解器:一个球形拉格朗日计划和欧拉Goddom求解器。气体-辐射能量耦合被隐式处理,使我们能够采取比辐射冷却时间长得多的hydrodyanimcal时间步长。我们验证代码,并评估其性能使用一套辐射流体动力学测试问题,包括在辐射能量占主导地位的政权。我们还开发的技术,减少噪声的蒙特卡罗估计辐射力通过使用辐射压力张量的空间发散。结果表明,蒙特卡罗技术的天体物理系统的多维辐射流体动力学模拟的承诺。
2015-01-28 astro-ph.HE astro-ph.IM
Emulating Radiative Transfer in Astrophysical Environments
Interdisciplinary Center for Scientific Computing, Heidelberg University(海德堡大学跨学科科学计算中心)
针对天体物理中辐射传输方程数值求解计算成本高的问题,提出一种结合傅里叶神经算子与U-Nets的替代模型,可在保持高精度的同时将辐射传输计算加速两个数量级以上,有望整合到先进流体动力学模拟中。
2025-11-11 astro-ph.GA astro-ph.IM cs.LG
A Proper Discretization of Hydrodynamic Equations in the Cylindrical Coordinates for Astrophysical Simulations
圆柱坐标常用于计算流体动力学,特别是当考虑气体流附着在中心物体上时。虽然圆柱坐标在描述旋转方面有几个优点,但它们在坐标原点(z轴)沿轴有明显的奇异性。这种奇异性给数值模拟带来了困难。首先,很难再现穿过z轴的流动。其次,由于对于给定的角分辨率,CFL条件在z轴附近的数值单元在方位角方向上是窄的,因此时间步长被CFL条件极大地缩短。在这里,我们提出了一个新的离散化方案,以克服这些困难。在我们的新方案中,我们考虑在一个细胞内的单位矢量的方向的变化时,评估每个细胞表面的通量。此外,我们从作用于方位角单元表面的热压力和动压力计算了动量方程径向分量中的源项。新格式被设计成保持自由流,使得具有均匀密度、压力和速度的流动是离散方程的精确解。这些改进对于在最内部区域中使用较低的角分辨率并且因此延长每个时间步长是必不可少的。我们的例子表明,围绕轴的最里面的圆形区域可以解决只有六个数值细胞。我们提出了一个应用程序的吸积致密星所包围的磁盘,除了Sod激波管和旋转外流测试。
2020-12-10 astro-ph.IM
A Fast second-order solver for stiff multifluid dust and gas hydrodynamics
本文提出MDIRK多流体二阶对角隐式龙格-库塔方法,利用O(N)解析解替代O(N)^3矩阵求逆求解刚性动量源项,显著降低计算成本,并通过多种流体动力学测试验证其守恒性与收敛性。
2024-02-26 astro-ph.EP 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 New Code for Numerical Simulation of MHD Astrophysical Flows With Chemistry
本文给出了一个新的考虑化学反应的磁流体动力学天体物理流数值模拟程序。在代码的核心-新的原始低耗散数值方法的基础上结合算子分裂方法和分段抛物方法的局部模板。详细的数值方法进行了说明,主要测试和并行实施方案。模拟了分子云湍流形成过程中氢的化学动力学。
2016-08-31 astro-ph.IM
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
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
The Challenges of Modeling Astrophysical Reacting Flows
本文针对天体物理反应流模拟的挑战,探讨了传统算子分裂与隐式积分方法的假设,并提出提高模拟效率与精度的技术。
2024-11-19 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
Axisymmetric smoothed particle magneto-hydrodynamics
许多涉及磁场的天体物理和地球情况都可以在轴向几何中进行处理。虽然光滑粒子流体动力学(SPH)技术已成功地推广到磁流体动力学(MHD),一个良好的验证,轴对称MHD方案基于这种技术还没有出现。在这项工作中,我们填补了科学文献中的空白,并提出和检查一个新的轴对称MHD流体动力学代码,可以应用于显示适当的几何形状的物理问题。我们表明,建立这些轴对称假设的流体动力学代码是能够产生类似的结果比标准的3D-SPMHD代码具有相同的分辨率,但计算量要小得多。
2022-11-11 astro-ph.IM
Xenia: A Table-Driven Code for Astrophysical Multi-Fluid Hydrodynamics
Beijing ENN Fusion Energy Science and Technology Co., Ltd.(北京新奥聚变能源科学与技术有限公司);Beijing Key Laboratory of High Magnetic Field Spherical Torus Fusion Energy(北京市高磁体球面环聚变能重点实验室);Hebei Key Laboratory of Compact Fusion(河北省紧凑型聚变重点实验室)
Xenia是一种表驱动的天体物理多流体动力学代码,通过Python声明物质和耦合通道,采用算子分裂和解析雅可比矩阵,实现高效求解,并经过多项测试验证。
2026-10-06 astro-ph.EP astro-ph.IM physics.plasm-ph
OpenGadget3 GPU solver tests
INAF-Osservatorio Astronomico di Trieste(意大利国家天体物理研究所的里雅斯特天文台);Universitäts-Sternwarte, Fakultät für Physik, Ludwig-Maximilians-Universität München(慕尼黑大学物理学院大学天文台);Max-Planck-Institut für Astrophysik(马克斯·普朗克天体物理学研究所);Department of Astronomy and Astrophysics, The University of Chicago(芝加哥大学天体物理学系);IFPU - Institute for Fundamental Physics of the Universe(宇宙基础物理研究所);ICSC - Italian Research Center on High Performance Computing, Big Data and Quantum Computing(意大利高性能计算、大数据和量子计算研究中心);INFN, Sezione di Trieste(意大利国家核物理研究所的里雅斯特分部);Intel Technology India Private Ltd(英特尔技术印度私人有限公司);Dipartimento di Fisica e Astronomia "Augusto Righi", Alma Mater Studiorum Università di Bologna(博洛尼亚大学奥古斯托·里吉物理与天文系)
评估GPU移植N体代码在宇宙学流体动力学模拟中的可扩展性和准确性,测试显示GPU实现与CPU版本结果高度一致,芯片间加速比约为2-5倍。
2026-06-17 astro-ph.CO astro-ph.GA astro-ph.IM
Resolving vortices with an isothermal HLLC Riemann solver
接触间断在二维等温流动中的重要性很少被讨论,因为大多数Riemann解是针对一维Euler方程推导的。我们提出了一个新的接触解决近似黎曼解的等温欧拉方程,并显示其性能的几个一维和二维的测试问题。新的求解器扩展了著名的HLL求解器,同时保持其计算简单性。通过对卡门涡街的模拟,显示了涡系分辨率的显著提高。我们讨论了伽利略不变性的损失及其对接触不连续性的分辨率的影响,这是经历了所有现代数值方案的流体力学在非移动网格。
2015-07-17 astro-ph.IM physics.comp-ph physics.flu-dyn
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
360-degree videos: a new visualization technique for astrophysical simulations
360-度视频是一种新类型的影片,其在所有4个$π$球面度上进行渲染。YouTube等视频分享网站现在允许通过虚拟现实(VR)护目镜、手持智能手机/平板电脑和计算机分享这种独特的内容。从天体物理模拟中创建360 $^\circ$视频不仅是一种在沉浸其中时查看这些模拟的新方式,而且也是一种创建吸引公众的内容的方式。我们提出了我们认为是第一个360 $^\circ$视频的天体物理模拟:流体力学计算的中央秒差距的银河系中心。我们还介绍了如何创建这样的电影,并简要评论了什么新的科学可以从天体物理模拟使用360 $^\circ$视频。
2017-07-21 astro-ph.IM
SACRA-2D: New axisymmetric general relativistic hydrodynamics code with fixed mesh refinement
本文提出新型轴对称全相对论流体动力学代码SACRA-2D,采用HLLC求解器与Z4c约束传播,通过黑洞碰撞、中子星坍缩等测试验证了其精度与鲁棒性。
2025-02-05 astro-ph.HE astro-ph.IM gr-qc
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
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
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