多物种动量传输的渐近稳定数值方法：气体与多流体尘埃测试套件及在 FARGO3D 中的实现

我们提出了一种渐近且无条件稳定的数值方法，用以处理多种物种间的动量传输。动量守恒达到机器精度。这意味着渐近平衡对应于质心速度。旨在研究尘埃动力学，我们在公开代码 FARGO3D 中实现了该数值方法。为验证我们的实现，我们基于与完美阻尼、阻尼声波、激波、盘中局域与全局气尘径向漂移以及线性流不稳定性相关的解析或精确解，开发了一套适用于任意数量物种的测试套件。特别地，我们获得了原行星盘中多个尘埃物种径向漂移的一阶稳态解，其中压力梯度未必很小。此外，我们给出了流不稳定性的非线性剪切盒模拟，并与先前用拉格朗日粒子获得的结果进行了比较。我们以空间和时间分别二阶和一阶精度恢复测试套件中的解，从而成功验证了我们的实现。由此我们得出结论：我们的格式适合且非常稳健，可用于研究多个流体的自洽动力学。特别是，它可用于求解原行星盘中气体与尘埃之间任意耦合程度的碰撞。