One of the challenges when simulating astrophysical flows with self-gravity is to compute the gravitational forces. In contrast to the hyperbolic hydrodynamic equations, the gravity field is described by an elliptic Poisson equation. We present a purely hyperbolic approach by reformulating the elliptic problem into a hyperbolic diffusion problem, which is solved in pseudotime using the same explicit high-order discontinuous Galerkin method we use for the flow solution. The flow and the gravity solvers operate on a joint hierarchical Cartesian mesh and are two-way coupled via the source terms. A key benefit of our approach is that it allows the reuse of existing explicit hyperbolic solvers without modifications, while retaining their advanced features such as non-conforming and solution-adaptive grids. By updating the gravitational field in each Runge-Kutta stage of the hydrodynamics solver, high-order convergence is achieved even in coupled multi-physics simulations. After verifying the expected order of convergence for single-physics and multi-physics setups, we validate our approach by a simulation of the Jeans gravitational instability. Furthermore, we demonstrate the full capabilities of our numerical framework by computing a self-gravitating Sedov blast with shock capturing in the flow solver and adaptive mesh refinement for the entire coupled system.


翻译:模拟具有自重力的天体物理流时, 挑战之一是计算引力。 与超偏流流体动力等方程相比, 重力场用椭圆皮质方程描述。 我们提出纯粹的双曲法方法, 将椭圆性问题改造成双曲扩散问题, 以我们用于流解解决方案的相同的高阶不连续 Galerkin 方法在假时解决。 流和重力解解解器通过一个联合等级的Cartesian网格运行, 并通过源术语双向连接。 我们方法的一个重要好处是, 它允许在不修改的情况下重新使用现有的明确的超双曲解决器, 同时保留其先进的特性, 如不相容和解决方案适应电网。 通过在流流解解解的每个运行- Kutta 阶段更新引力场, 即使在同时进行多物理模拟后, 也实现了高度的趋同。 在核实单物理和多物理学的双向精确度组合组合后, 我们通过模拟模拟了我们流压的自动沉积的自我调整方法, 验证了我们的数据模拟了我们的数据震变变的自我。

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