OpenGadget3 中尘埃动力学建模——I. One-Fluid 模型的 SPH 实现
天体物理仪器与方法
2025-11-04 v1 地球与行星天体物理
星系天体物理
太阳与恒星天体物理
流体动力学
摘要
尘埃动力学在天体物理过程中发挥着关键作用，已在 various approaches 中通过 hydrodynamical 模型进行模拟。基于粒子的方法如 Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)，One-Fluid 模型被证明非常有效，用于模拟气-尘混合物。本研究介绍了 OpenGadget3 中 One-Fluid 模型的实现，提出了若干改进。这些改进包括时变人工粘性和导电性，以及一种 novel 的尘埃扩散处理方法。该改进模型通过一套尘埃动力学基准问题进行测试：DUSTYBOX、DUSTYWAVE 和 DUSTYSHOCK，其中后者扩展至多维情形，以及 dusty Sedov-Taylor 爆炸。附加测试包括冷 Kepler 盘、尘埃原行星盘和 Kelvin-Helmholtz 不稳定性，以评估模型在更复杂流动中的鲁棒性。该实现成功通过所有标准基准测试，表现出在简单和复杂模拟中都具有稳定性和准确性。新的扩散项改善了处理尘埃-气比值大且阻力系数小流动的能力，尽管 One-Fluid 模型在这些条件下仍存在局限性。增强的 One-Fluid 模型是一个可靠且稳健的工具，用于 OpenGadget3 中的尘埃动力学模拟。虽然仍保留原公式固有的一些局限性，但引入的改进扩展了其适用性，解决了气-尘动力学中的一些挑战。
引用
@article{arxiv.2511.00631,
title = {Modeling dust dynamics in OpenGadget3 -- I. SPH implementation of the One-Fluid model},
author = {Giovanni Tedeschi-Prades and Til Birnstiel and Klaus Dolag and Barbara Ercolano and Mark Hutchison},
journal= {arXiv preprint arXiv:2511.00631},
year = {2025}
}
备注
Accepted for publication on Astronomy & Astrophysics. 16 pages, 14 figures