具备重力平衡性的高性能可移植全马赫数区流动求解器代码及其在可压缩对流中的应用
计算物理
2019-05-01 v1 地球与行星天体物理
太阳与恒星天体物理
摘要
对流是天体物理中重要的物理过程，常在Boussinesq和/或非弹性近似下通过数值模拟深入研究。然而当可压缩效应在高速流区（如恒星大气或存在吸积激波时）显著时，这些方法达到其极限。为应对这些问题，我们提出一个名为“ARK”的新高性能可移植代码，其数值求解器非常适用于分层可压缩Navier-Stokes方程。我们采用有限体积方法，实现质量、横向动量与总能量的机器精度守恒。基于应用数学的先前工作，我们提出使用低马赫数修正以在低速与高速马赫数区均获得良好精度。重力源项采用平衡格式离散，以达成机器精度的流体静力平衡。该新求解器使用Kokkos库实现，以在不同架构（如多核、众核及GP-GPU）上实现高性能计算与可移植性。我们表明低马赫数修正相较标准Godunov型方法能以更高精度达到低马赫数区。平衡特性与低马赫数修正的结合使我们能在接近临界Rayleigh数处触发Rayleigh-Bénard对流模态。此外，我们展示了采用低马赫数修正、低耗散的3D湍流Rayleigh-Bénard对流，其动能能谱更高。这些结果对今后天体物理中高马赫数及强分层对流问题的研究极具前景。
引用
@article{arxiv.1903.09043,
title = {A high performance and portable all-Mach regime flow solver code with well-balanced gravity. Application to compressible convection},
author = {T. Padioleau and P. Tremblin and E. Audit and P. Kestener and S. Kokh},
journal= {arXiv preprint arXiv:1903.09043},
year = {2019}
}
备注
Accepted in APJ