平滑粒子流体动力学中的单流体 dusty gas
地球与行星天体物理
2015-06-18 v1
摘要
在一篇 companion paper 中，我们展示了如何将描述由阻力项耦合的气体和尘埃作为两种流体的方程重新表述，以将系统描述为单流体混合物。在此，我们提出了使用平滑粒子流体动力学 (SPH) 的单流体 dusty gas 算法的数值实现。该算法保留了 SPH 形式的守恒性质。特别是，总气体和尘埃质量、动量、角动量和能量均得到精确守恒。激波粘性和传导项被推广以相应地处理两相混合物。该算法针对一套全面的测试问题进行了基准测试：dustybox、dustywave、dustyshock 和 dustyoscill，每个问题都针对该方法的不同属性。我们将单流体算法的性能与标准双流体方法进行了比较。发现单流体算法解决了双流体算法的两个基本限制：不再可能将尘埃集中在气体分辨率以下（根据定义它们具有相同的分辨率），并且在双流体代码中为避免动能过度阻尼所需的 h < csts 空间分辨率准则变得不必要。隐式时间步进变得直接。因此，对于小颗粒的 3D 模拟，该算法的效率最高可提高一百亿倍。其他好处包括使用减半的粒子数、单个核函数和更少的 SPH 插值。唯一的限制是它在零耦合极限下无法捕捉尘埃的多流现象，这表明在这种情况下可能需要混合方法。
引用
@article{arxiv.1402.5249,
title = {Dusty gas with one fluid in smoothed particle hydrodynamics},
author = {Guillaume Laibe and Daniel J. Price},
journal= {arXiv preprint arXiv:1402.5249},
year = {2015}
}
备注
Accepted for publication in MNRAS. Numerical code and input files for dustybox, wave and shock tests available from http://users.monash.edu.au/~dprice/ndspmhd/