关于具有光滑初始条件的开尔文-亥姆霍兹不稳定性——线性理论与模拟
星系天体物理
2019-02-13 v1 计算物理
摘要
开尔文-亥姆霍兹不稳定性（KHI）是流体动力学和磁流体动力学（MHD）模拟代码的标准测试，并在天体物理学中有许多应用。经典线性理论考虑两流体界面处密度和速度的间断。然而，对于KHI的数值模拟，即便在不稳定性的线性阶段，此类初始条件也无法给出收敛结果。相反，需要速度和密度的光滑剖面以实现收敛。这使得解析理论仅近似有效，并阻碍了经典理论与模拟之间的定量比较。本文推导了具有光滑剖面的KHI线性理论，并用MHD代码Athena说明了代码测试。我们提供了三种不同极限下具有光滑初始条件的KHI线性解：无黏流体动力学、理想MHD和Braginskii-MHD。这些线性解通过框架Psecas（带自动求解器的伪谱特征值计算器）数值获得，该框架利用方程解析器和伪谱方法生成并求解数值特征值问题。Athena模拟在周期性笛卡尔域上进行，便于代码测试。利用Psecas和解析理论，我们概述了这种人工数值设置与无限笛卡尔域上的KHI以及柱几何中的KHI之间的差异。我们讨论了若干天体物理应用，如星系形成中的冷流和星系团并合中的冷前沿。Psecas以及用于代码测试的线性解已公开可用，可从网上下载。
引用
@article{arxiv.1902.01403,
title = {On the Kelvin-Helmholtz instability with smooth initial conditions -- Linear theory and simulations},
author = {Thomas Berlok and Christoph Pfrommer},
journal= {arXiv preprint arXiv:1902.01403},
year = {2019}
}
备注
18 pages, 10 figures, accepted for publication in MNRAS. Code available at http://github.com/tberlok/psecas