射线追踪光电离算法的精度与效率

本文在精度、时间步长判据和并行扩展性方面，比较了三种用于流体动力学网格模拟代码的非平衡光电离算法。具有光子守恒一阶时间精度的显式方法必须使用非常严格的时间步长判据，才能准确追踪 R 型电离锋面。本文描述了一种二阶精度算法，虽然每步需要更多计算量，但允许更长的时间步长，因此效率更高。隐式方法允许电离锋面在每个时间步长内跨越多个网格单元，同时保持光子守恒精度。然而，研究表明，对于此处使用的隐式算法，多频辐射的误差远大于单色辐射，且当电离锋面在单一步骤中跨越多个光深时，会累积巨大误差。我们使用大量时间步长判据测试了不同算法的精度和收敛率，以确定每种算法的最佳判据。选定这些判据后，二阶显式算法是三者中效率最高的，且其并行扩展性显著优于隐式算法。将显式算法从一阶精度升级到二阶精度可以非常简单地应用于目前使用一阶方法的固定网格和自适应网格细化代码中。