一种高效的数值方法用于建模颗粒形状对碎石堆动力学的影响

我们提出一种在高分辨率 N 体离散元方法 (DEM) 模拟中纳入非球形组分的方法。我们使用由粘结球体组成的聚集体来建模非球形组分。尽管该方法可更普遍地应用，我们详述了其在现有 N 体代码 pkdgrav 中的实现。长期以来公认，与球体相比，非球形颗粒赋予额外的抗剪强度与流动阻力。因此，我们预期碎石堆小行星也将展现这些性质，并可能表现不同于由理想化球体组成的同类碎石堆。由于球形粒子避免了某些重大技术挑战，大多数 DEM 引力代码仅使用了球形粒子，或局限于相对较低分辨率。我们还讨论了在 pkdgrav 既有 DEM 引力代码中领先的计算效率基础上，为提升非球形颗粒性能所做的工作。这使得在保持 pkdgrav 树实现与并行化所提供效率的同时，可加入非球形形状。作为测试，我们并行模拟了 25,000 个非球形体的引力坍缩。此情况下，与朴素实现相比，效率提升几乎达三倍。若无这些增强，含非球形组分的大规模模拟仍将昂贵得令人却步。最后，我们展示了若干小规模测试的结果：由 YORP 效应引起的自转加速、潮汐遭遇以及巴西坚果效应。所有情况下，我们发现纳入非球形组分对模拟结果有可测量的影响。