SPH 与移动网格模拟中的亚音速湍流

高度超音速、可压缩湍流被认为对星际介质中的恒星形成过程至关重要。同样，宇宙结构形成预计会在星系际介质中产生亚音速湍流，这可能显著改变维里化暗物质晕中气体的热力学结构，并影响气体中的小尺度混合过程。数值模拟在刻画天体物理湍流性质方面发挥了关键作用，但迄今为止系统的代码比较仅限于超音速区域，尚不清楚亚音速湍流是否被天体物理学中常用的数值技术忠实再现。在此，我们重点比较平滑粒子流体动力学（SPH）和我们的新移动网格技术 AREPO 在驱动亚音速湍流模拟中的精度。为与先前结果建立联系，我们还分析了跨音速和高度超音速湍流的模拟。我们发现，广泛采用的标准 SPH 公式在亚音速区域产生了有问题的结果。大尺度涡旋在驱动尺度附近被迅速阻尼，并衰变为小尺度速度噪声，而非建立起类 Kolmogorov 的湍流级串。降低粘性设置可以改善情况，但耗散区的形状与 Kolmogorov 级串的预期不同。相比之下，我们的移动网格技术确实得到了速度、涡量和密度能谱的幂律标度关系，与完全发展的各向同性湍流的预期一致。我们表明，SPH 梯度估计中的大误差以及相关的亚音速速度噪声，最终导致了其在亚音速区域产生不准确的结果。相反，SPH 在超音速湍流中的表现要好得多。