Fully compressible magnetohydrodynamic (MHD) simulations are a fundamental tool for investigating the role of dynamo amplification in the generation of magnetic fields in deep convective layers of stars. The flows that arise in such environments are characterized by low (sonic) Mach numbers (M_son < 0.01 ). In these regimes, conventional MHD codes typically show excessive dissipation and tend to be inefficient as the Courant-Friedrichs-Lewy (CFL) constraint on the time step becomes too strict. In this work we present a new method for efficiently simulating MHD flows at low Mach numbers in a space-dependent gravitational potential while still retaining all effects of compressibility. The proposed scheme is implemented in the finite-volume Seven-League Hydro (SLH) code, and it makes use of a low-Mach version of the five-wave Harten-Lax-van Leer discontinuities (HLLD) solver to reduce numerical dissipation, an implicit-explicit time discretization technique based on Strang splitting to overcome the overly strict CFL constraint, and a well-balancing method that dramatically reduces the magnitude of spatial discretization errors in strongly stratified setups. The solenoidal constraint on the magnetic field is enforced by using a constrained transport method on a staggered grid. We carry out five verification tests, including the simulation of a small-scale dynamo in a star-like environment at M_son ~ 0.001 . We demonstrate that the proposed scheme can be used to accurately simulate compressible MHD flows in regimes of low Mach numbers and strongly stratified setups even with moderately coarse grids.


翻译:完全压缩的磁流动力学(MHD)模拟是调查在恒星深相相层的磁场生成磁场中,震动量放大作用的基本工具。在这种环境中产生的流动特征是(音量)马赫数字低(M_son < 0.01 ) 。在这些系统中,常规MHD代码通常显示过度散射,并且往往效率低下,因为Coulant-Friedrichs-Lewy(CFLL)对时间步骤的限制变得过于严格。在这项工作中,我们提出了一个新方法,用以在依靠空间的重力重力重力重力重力马赫数字中高效模拟MHD流动,同时保留所有可压缩性效应。在限量的7League Hy(SLH) 代码中实施拟议方案,并使用低压的5MLLLL(HD) 解算法来降低数字失真力,在离差的磁力下,在离差力深度的离差力中,在深度的流压下,在深度的流流压下,在深度的流压压下,将磁力压压下,在磁力压下,将磁力压压压下,将磁力压压压下进行。

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