一种用于模拟恒星内部低马赫数可压缩磁流体流动的有限体积格式
太阳与恒星天体物理
2022-12-21 v1 天体物理仪器与方法
数值分析
数值分析
计算物理
流体动力学
摘要
完全可压缩磁流体动力学（MHD）模拟是研究恒星深层对流层中发电机放大在磁场产生中作用的基本工具。此类环境中出现的流动以低（声学）马赫数（M_son < 0.01）为特征。在这些 regime 下，常规 MHD 代码通常表现出过度耗散，并且由于时间步长上的 Courant-Friedrichs-Lewy（CFL）约束过于严格而效率低下。在这项工作中，我们提出了一种新方法，用于在空间相关引力势下高效模拟低马赫数 MHD 流动，同时仍保留可压缩性的所有效应。所提出的格式在有限体积 Seven-League Hydro（SLH）代码中实现，它利用五波 Harten-Lax-van Leer 间断（HLLD）求解器的低马赫版本来减少数值耗散，基于 Strang 分裂的隐式-显式时间离散技术来克服过于严格的 CFL 约束，以及一种良平衡方法，可大幅降低强分层设置中空间离散误差的量级。对磁场的螺线管约束通过使用交错网格上的约束输运方法来强制满足。我们进行了五项验证测试，包括在 M_son ~ 0.001 的恒星状环境中模拟小尺度发电机。我们证明，所提出的格式可用于准确模拟低马赫数和强分层设置下的可压缩 MHD 流动，即使使用中等粗糙的网格也是如此。
引用
@article{arxiv.2210.01641,
title = {A finite-volume scheme for modeling compressible magnetohydrodynamic flows at low Mach numbers in stellar interiors},
author = {G. Leidi and C. Birke and R. Andrassy and J. Higl and P. V. F. Edelmann and G. Wiest and C. Klingenberg and F. K. Röpke},
journal= {arXiv preprint arXiv:2210.01641},
year = {2022}
}