在天体物理研究中常用的计算程序ZEUS,.PDFVIP

第 34卷　第 4期 天 文 学 进 展 Vol. 34, No. 4 2016年 11月 PROGRESS IN ASTRONOMY Nov., 2016 doi: 10.3969/j.issn.1000-8349.2016.04.13 在天体物理研究中常用的计算程序 ZEUS, ATHENA 和 NIRVANA 的发展及应用 叶 景 1,2,3，沈呈彩 4，倪 蕾 1,2，林 隽 1,2 (1. 中国科学院 云南天文台，昆明 650216； 2. 中国科学院 天文大科学研究中心，北京 100012； 3. 南 京大学 现代天文与天体物理教育部重点实验室，南京 210093； 4. Havard-Smithsonian Center for Astrophysics, Cambridge MA 02138, USA) 摘要： 流体动力学 (Hydrodynamics, HD) 与磁流体动力学 (Magnetohydrodynamics, MHD) 高 效数值计算方法被广泛应用于天体物理领域，用来研究和解释天体系统中有关磁场和流场的演化 以及能量转化过程，如磁重联、恒星演化及形成、吸积盘等问题。通过对三个开源程序 ZEUS, ATHENA 和 NIRVANA 的探讨，详细阐述经典网格方法的起源、发展及适用于求解MHD 方程 的数值方法。同时介绍了基于此类程序已展开的科研工作和获得的成果，旨在通过对一些具体实 例的计算的介绍，分析相应算法的优缺点，探索有关算法和程序在天体物理领域中的应用。希望 提供给读者关于MHD 数值优化方面一些参考与借鉴。 关 键 词： (磁) 流体动力学；交错网格；Godunov 算法；算子分裂法；并行计算 中图分类号： P144.7 文献标识码： A 1 引 言 数值模拟技术是现代天体物理领域不可缺少的基本研究手段，为现代天体物理研究及观 测检验提供了强有力的数值实验工具；同时日益增长的研究需求也使天体物理成为超级计算 机及计算技术发展的重要推动者之一。20 世纪 90 年代以来，计算机技术的迅速提高极大地 推动了天体物理数值模拟工作的发展，并在现代架构的超级计算平台上，发展了各种高精度 和高分辨率的高性能并行数值算法，使得在大规模数值模拟中引入对各种复杂物理过程的描 述成为可能，如辐射转移过程，恒星形成模型，各种力学、辐射和化学反馈作用，吸积和喷 收稿日期：2016-08-30； 修回日期：2016-11-29 资助项目：国家自然科学基金 U1631130)；973 项目 (2013CBA01503)； 南京大学现代天文与天体物理教育部重点实验室开放基金；中国科学院前沿科学重点研究项目 (QYZDJ-SSW- SLH012) 通讯作者：林隽，jlin@ynao.ac.cn 4期 叶景，等：在天体物理研究中常用的计算程序... 533 流过程等的描述。结合数值模拟和半解析模型 (如星系形成和演化等) 进行研究，也为理论模 型的观测检验提供了基本的手段。 流体力学模拟也是天体物理学研究中应用十分广泛的方法和手段。它在研究流体的宏观 运动时，将流体近似看成连续介质。在流体运动中，由于压力、温度等因素的改变，流体质 点的体积或密度会发生改变。在受到一定压力或温度变化下流体质点的体积或密度可以改变， 这种性质称为可压缩性。真实的流体都是可以压缩的，但是液体的可压缩性很差，可以近似 看作不可压缩的流体。在天体物理中，除极少数情况外，通常遇到的都是可压缩流体。非相 对论流体力学是建立在由三个守恒定律所决定的框架当中，即质量守恒、动量守恒和能量守 恒。用于描述流体运动的观点和方法有两种，即拉格朗日 (Lagrange) 方法和欧拉 (Euler) 方 法，但使用两种方法得到的结果是等效的。 磁流体动力学是用来描述等离子体在磁场中的运动状态。等离子体是一类特殊的流体 (气体)，它是由带正电的离子、带负电的电子和中性粒子组成。磁流体动力学将等离子体作 为连续介质处理，其特征尺度远远大于德拜半径，特征时间远远大于粒子的平均碰撞时间， 不需要考虑单个粒子的表现。电流是由带电流体定向运动所产生的，或者是由随时间变化的 磁场或流体以外的电荷分布产生的。所以，系统的运动可用一种具有通常的流体动力学变量 (密度、速度和压强) 的单导电流体来描述。磁流体动力学的连续性方程保持不变，其与流体 力学的连续性方程相同。但当考虑了磁场作用后，就必须在动量方程中加入洛仑兹 (Lorentz) 力。值得一提的是，在一个只有洛仑兹力的系统当中，其方向垂直于带电粒子或是流体的运 动方向，因此不对带电粒子或是带电流体做功，只改变运动轨迹。然而，在一个复杂系统里 面，还可能