平滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟中的重子物理.pdfVIP

Vol 第30卷第3期 天文学进展 30、No3 IN 2012年8月 PROGRESSASTRONOMY Aug，2012 文章编号：1000—8349(2012)03—334—12 平滑粒子流体动力学(SPH)数值模拟中 。 的重子物理 姜春艳 伸国科学院上海天文台星系与宇宙学重点实验室．上海200030 摘要：平滑流体动力学fSPHy数值模拟是我们研究星系形成与演化的一个重要工具。先介绍了 SPH的基本原理和基本方程，然后以恒星形成、星系风反馈、AGN反馈和热传导为例，介绍了 平滑流体动力学数值模拟中的重子物理及实施方法。这些模型在一定程度上都取得了成功，对更 好地理解星系的形成和演化起到了促进作用。 ． 关键词：流体数值模拟；重子物理；恒星形成 中图分类号：P152 文献标识码： A 1引言 数值模拟是研究星系形成与演化的一个有利工具。借助于Ⅳ体数值模拟，标准ACDM 宇宙的结构形成已被人们很好地了解。然而，所观测的宇宙的可见成分，从星际介质到星系 团，都是诸多重子物理过程综合作用的结果。这一部分主要涉及到气体动力学过程。因此， 研究气体相关的物理过程是了解星系形成与演化过程的必经渠道，也是当今天体物理学的一 个重要课题。用解析方法来研究流体动力学效应被局限在一些具有高度对称性或是线性扰动 理论可以应用的情形，更广泛的情形需要通过数值计算方法来解决。 目前主要有两种数值计算方法，一种是欧拉方法，另一种是拉格朗日方法，其中最常用 的是平滑粒子流体动力学fSPHl方法。欧拉方法是将空间格点化，流体由体积元表示；而 SPH方法是将质量离散化，流体由粒子表示。 平滑粒子流体动力学方法在天体物理学各个研究领域中起着重要的作用。这一方法最初 被引进用于模拟非轴对称的天体物理现象”1…。在SPH方法中，连续的流体元由离散的粒子 来代替，任意一点的流体性质都可由这一点周围粒子的性质平滑得到。流体的演化通过解流 体动力学方程来得到，这些方程来自于拉格朗日形式的流体动力学守恒律。 收稿日期：2009—05—11：修回日期：2012-03一05 资助项目：国家自然科学基金 3期 姜春艳：SPH数值模拟中的重子物理 用SPH数值模拟来研究星系的形成与演化从大约20年前就开始了，早期的先驱工作包 括文献f381等。这些工作，连同随后的一系列工作，使人们对许多天体物理现象有了更好的 理解与认识，例如：星系相互作用、类星体吸收线系统、星系间介质和星系团／群中介质。 但这些早期的模型对恒星形成及反馈的描述存在很多的问题，对活动星系核fAGN)、磁 场、宇宙射线和化学成分演化、热传导等现象或过程的描述也不完善。近年来，在流体数值 模拟里面对这些物理的实施有了很大的发展。本文就以恒星形成、星系风反馈、AGN反馈和 热传导为例，介绍SPH数值模拟的常用模型及具体的实施方法。 本文结构安排如下：首先在第2章介绍SPH模拟的基本原理和基本方程，然后在第3 章分别介绍SPH数值模拟中常用的重子物理模型及具体的实施方法，最后在第4章给出 总结。 2 SPH的基本原理和基本方程 2．1基本原理 实际的流体由无数流体元组成I如果我们要在SPH中用粒子来代替流体元，那么必须 做一些近似。我们选取其中Ⅳ个流体元由粒子来表示，而假设所选取粒子的质量密度正比于 流体的质量密度。那么如果系统根据流体动力学定律演化，流体密度可以从局部粒子密度估 算得到。 因为粒子数目有限，所以流体密度及其他统计量要在一个非零的体积内计算：因此很自 然地需要引进平滑的过程。任一物理场A(r)，如密度、速度等，都可以由如下公式计算得到： ， (．4(r