一种用于引力场下多尺度流动输运的良平衡统一气体动理学格式

引力场下的气体动力学通常由于大的密度变化和广泛的局部克努森数而具有多尺度特性。构建可靠数值算法以准确捕捉不同区域中的非平衡物理效应是具有挑战性的。在本文中，将开发一种用于引力场下所有流态的良平衡统一气体动理学格式 (UGKS)，其可用于非平衡引力气体系统的研究。这里的良平衡格式被定义为一种将孤立引力系统在任何初始条件下演化为等温流体静力平衡状态并保持该解的方法。保持此性质对于可用于研究缓慢演化引力系统（如恒星和星系的形成）的数值格式是重要的。基于带外力项的玻尔兹曼模型，构造了解析时间演化（或尺度依赖）解，以在网格尺度和时间步长尺度上提供相应动力学，随后用于 UGKS 的构造。结果，随着数值时间步长与局部粒子碰撞时间之比的变化，UGKS 能够恢复不同区域中的流动物理，并提供气体动力学的连续谱。首次，引力系统在过渡区中的流动物理可利用 UGKS 研究，并且此类引力系统中的非平衡现象可被清晰识别。将使用许多数值算例来验证该格式。将给出新的物理观测，例如过渡区中引力场与热通量之间的关联。当前方法为研究非平衡引力系统提供了不可或缺的工具。