无分层模型中边际耦合粒子的流式不稳定性比较研究

流式不稳定性是原球形盘中浓缩固体物质并启动行星形成的领导机制之一。尽管已有大量研究探索了其线性增长、非线性演化及其对行星形成的影响，但该不稳定性的诸多特征中哪些是物理上稳健的，哪些则源于代码选择，由于文献中所采用的数值方法和尘埃处理方式的多样性，尚难以判断。我们对七个hydrodynamics代码进行了首次系统比较，这些代码涵盖有限体积和有限差分方案，尘埃要么作为拉格朗日粒子建模，要么作为无压流体建模，均用于边际耦合（以无量纱停止时间为单位）的无分层流式不稳定性。所有代码都再现了指数增长、纤维形成和湍流饱和的特征序列，显示出该不稳定性在定性行为上的广泛一致性。然而，在中等分辨率下，尘埃模型仍是引起定量差异的主要来源：粒子基模型在 $512^2$ 分辨率下达到更高的峰值密度，并表现出更宽的高密度尾部，而流体基模型则表现不同；尽管增加粒子数后，其初始最大密度演化与尘埃流体模型的演变接近一致。在 $1024^2$ 分辨率下，这些差异大幅减小，表明在饱和态统计上，不同尘埃处理方式之间的一致性显著提升。就计算性能而言，大多数粒子实现都面临并行负载不均衡的问题，而在 GPU 上的执行至少快 2-3 倍，并且在更高分辨率下比在 CPU 上更具能源效率和扩展性。鉴于该非线性系统的内在随机性，仅保持统计诊断在不同代码之间才具有意义。