Modelling supernova-driven turbulence
Modelling supernova-driven turbulence
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模拟超新星驱动的湍流
DOI：
10.1080/03091929.2019.1634705
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发表时间：
2019
影响因子：
1.3
通讯作者：
Hollins, J. F.
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Gent, F. A.;Mac Low, M.-M.;Käpylä, M. J.;Sarson, G. R.;Hollins, J. F.
在星际湍流中，高马赫数激波无处不在。铅笔程序由于其高阶平流和时间演化算法，特别适合于弱可压缩湍流中的磁流体动力学研究和发电机的数值研究。然而，高阶算法和缺乏跟踪激波的Riemann求解器使得它不太适合处理高马赫数激波，例如由超新星(SNE)产生的激波。在这里，我们概述了使代码能够高效和准确地模拟SNE所需的方法，使用允许稳定模拟SN驱动的湍流的参数，以便构建物理上真实的银河发电机模型。其中包括对具有人工粘性、热导率和质量扩散的激波的解析；对质量扩散项的修正，以及对Courant条件的新推广，以将所有源项包括在动量和能量方程中。我们用一维Riemann激波管的数值解来检验我们的方法，该数值解也被推广到一维绝热激波，其参数和马赫数与SN激波的演化有关，包括具有辐射损失的激波。我们扩展了我们的测试，对星际介质典型的环境气体密度范围内单个SN残留物的演化进行了三维(3D)数值模拟，并将这些结果与Sedov-Taylor(绝热)以及Snowlow和Cioffi等人的分析解进行了比较。结果结合了冷却和加热过程。我们证明了当人工粘性的强度变化时，我们的新的时间步长算法导致线性而不是二次分辨率依赖，这是因为区域间梯度的强度相应地改变。
High Mach number shocks are ubiquitous in interstellar turbulence. The Pencil Code is particularly well suited to the study of magnetohydrodynamics in weakly compressible turbulence and the numerical investigation of dynamos because of its high-order advection and time evolution algorithms. However, the high-order algorithms and lack of Riemann solver to follow shocks make it less well suited to handling high Mach number shocks, such as those produced by supernovae (SNe). Here, we outline methods required to enable the code to efficiently and accurately model SNe, using parameters that allow stable simulation of SN-driven turbulence, in order to construct a physically realistic galactic dynamo model. These include the resolution of shocks with artificial viscosity, thermal conductivity and mass diffusion; the correction of the mass diffusion terms and a novel generalisation of the Courant condition to include all source terms in the momentum and energy equations. We test our methods with the numerical solution of the one-dimensional (1D) Riemann shock tube, also extended to a 1D adiabatic shock with parameters and Mach number relevant to SN shock evolution, including shocks with radiative losses. We extend our test with the three-dimensional (3D) numerical simulation of individual SN remnant evolution for a range of ambient gas densities typical of the interstellar medium and compare these to the analytical solutions of Sedov–Taylor (adiabatic) and the snowplough and Cioffi et al. results incorporating cooling and heating processes. We show that our new timestep algorithm leads to linear rather than quadratic resolution dependence as the strength of the artificial viscosity varies, because of the corresponding change in the strength of interzone gradients.
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F. Gent
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