Athena++ 中的多流体尘埃模块：算法与数值测试

我们描述了 Athena++ 磁流体动力学（MHD）代码中多流体尘埃模块的算法、实现和数值测试。该模块可容纳任意数量的通过气动阻力（以停止时间为特征）与气体相互作用的尘埃物种，并配有多种数值求解器。特别地，我们描述了两种二阶精确、两阶段、全隐式求解器，它们在包括短停止时间和高尘埃质量负载在内的刚性区域中稳定，并分别与 Athena++ 中的二阶显式 van-Leer 和 Runge-Kutta 气体动力学求解器配对。此外，我们制定了一种考虑尘埃反向反应的尘埃浓度扩散的一致处理，其包含动量扩散并确保伽利略不变性。新公式和刚性阻力求解器被实现为与 Athena++ 大多数现有特性兼容，包括不同坐标系、网格细化、剪切盒和轨道平流。我们展示了一系列大型测试问题，包括线性和非线性区域中的流不稳定性，以及局部和全局设置，表明该代码达到了预期性能。该模块对原行星盘中尘埃动力学和行星形成的研究尤其有用。