追踪流体：天体物理流体模拟中的示踪粒子

我们提出了两种用于流体动力学移动网格代码 AREPO 中被动示踪粒子的数值方案，并比较了它们在从简单设置到宇宙学模拟等各种问题中的性能。示踪粒子的目的是允许以拉格朗日方式追踪流体，记录流体随时间的演化，并记录单个流体微元的热力学历史。我们发现常用的“速度场示踪粒子”（利用流体速度场进行平流）通常不能正确跟随质量流，并解释了其原因。这种方法在驱动湍流模拟和宇宙学模拟中可能导致数量级上的偏差，使得速度场示踪粒子不适合追踪这些流动。随后，我们讨论了一种新颖的“蒙特卡洛示踪粒子”实现方案，它们随流体单元一起移动，并根据质量通量在单元之间概率性地交换。这种方法能正确重现流体的质量分布。该方法的主要局限性在于其扩散性比流体本身更强。尽管如此，我们表明这种新颖方法比先前使用的方法更可靠，并证明它适用于基于网格的代码中的流体动力学流动追踪。蒙特卡洛示踪粒子还可以自然地在流体单元与其他类型的粒子（如恒星粒子）之间转移，从而能够完整追踪宇宙学模拟中的质量流。