天体物理学 > 地球与行星天体物理学
[提交于 2018年11月15日
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标题: 双流体尘埃气体在平滑粒子流体力学中的研究:刚性线性阻力的快速隐式算法
标题: Two-Fluid Dusty Gas in Smoothed Particle Hydrodynamics: Fast and Implicit Algorithm for Stiff Linear Drag
摘要: 模拟尘埃-气体周围盘的动力学对于理解行星形成机制至关重要。 盘中小颗粒的动力学与气体紧密耦合,而较大固体的动力学则解耦。 此外,在盘的某些部分,尘埃的浓度较低(尘埃与气体质量比约为0.01),而在其他部分则可能高得多。 这些因素对盘模拟的数值方法提出了很高的要求。 特别是,当用两种不同的流体模拟气体和尘埃时,显式方法需要非常小的时间步长(必须小于尘埃停止时间$t_{\rm stop}$,在此期间固体粒子的速度与气体速度相等)才能获得解,而一些隐式方法需要高的时间分辨率才能获得可接受的精度。 此外,最近的研究指出,当用不同的粒子集模拟气体和尘埃时,在光滑粒子流体动力学(SPH)中只有高空间分辨率$h<c_{\rm s} t_{\rm stop}$才能保证由于气体和尘埃相互作用导致的数值过耗散的抑制。 为了解决这些问题,我们开发了一种基于以下思路的快速算法:(1)线性(埃普斯坦)阻力的隐式积分,以及(2)局部线性动量的精确守恒。 我们推导了双流体SPH中单分散尘埃-气体的公式,并在具有已知解析解的问题上测试了新方法。 我们发现,由于空间分辨率条件$h<c_{\rm s} t_{\rm stop}$不再需要以获得准确结果,我们的方法在刚性线性阻力情况下是之前开发的双流体SPH方案的一个有前景的替代方案。
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