湍流分子云中尘埃颗粒的动力学：解耦条件与不同数值实现的局限性

分子云中的尘埃颗粒动力学受其与超音速湍流气体运动的相互作用所调控。尘埃颗粒从气体动力学中解耦的条件仍然缺乏约束。我们首先旨在利用解析预测和数值实验，研究动力学解耦的临界尘埃颗粒尺寸。其次，我们旨在确定两种根本不同的数值实现方法在模拟湍流分子云中尘埃与气体混合物演化时的适用范围。我们使用两种不同的方案进行了一系列数值实验。首先，我们在欧拉网格上使用了终端速度近似（TVA）下的单流体形式。其次，我们使用了一种双流体方案，其中尘埃动力学用拉格朗日超级粒子处理，气体动力学在欧拉网格上处理。单流体结果与解耦的理论临界尺寸吻合良好。我们报告了当斯托克斯数St>0.1，即尘埃颗粒尺寸$s>4~\mu$m时，尘埃动力学发生解耦。我们发现，TVA非常适用于分子云中尺寸为10微米的颗粒，尤其是在最致密的区域。然而，在St>1的低密度物质中测得的最大尘埃富集度是值得怀疑的。在拉格朗日尘埃实验中，我们表明所有尘埃颗粒尺寸的结果都受到数值方法的影响。在St<<1时，尘埃动力学在很大程度上受到高密度区域中人为捕获的影响，导致尘埃浓度的虚假变化。在St>1时，最大尘埃富集度受限于气体动力学所使用的网格分辨率。因此，先前类似数值工作的结果应根据我们在本研究中强调的局限性进行重新审视。亚微米尘埃颗粒的富集不太可能发生在分子云最致密的部分。