Двухфазная гидродинамическая модель взаимодействующих галактик
Использование суперкомпьютеров из верхней части списка Top-500 для моделирования двухфазной гидродинамической модели взаимодействующих галактик в высоком разрешении. Характеристика динамики образования хвостов галактик и процесса их замагничивания.
Рубрика | Физика и энергетика |
Вид | статья |
Язык | русский |
Дата добавления | 29.10.2018 |
Размер файла | 31,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
2
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки
Институт вычислительной математики и математической геофизики Сибирского отделения Российской академии наук 630090, Новосибирск
ДВУХФАЗНАЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ВЗАИМОДЕЙСТВУЮЩИХ ГАЛАКТИК
И.М. Куликов
Движение галактик в плотных скоплениях превращает столкновения между ними в важный эволюционный фактор, поскольку за хаббловское время рядовая галактика может испытать до десятка столкновений с другими галактиками своего скопления [1, 2]. Математическое моделирование играет более чем важную роль в теоретическом исследовании таких процессов. Одной из важных вычислительных проблем в таких задачах является соотношение масштабов (так линейный размер галактики составляет порядка 104 парсек, в то время как линейный размер звезды составляет величину порядка 10-7 парсек). Поэтому для моделирования таких процессов в высоком разрешении необходимо использовать суперкомпьютеры из верхней части списка Top-500. Два из первых трёх (четыре из первых десяти) суперкомпьютера в ноябрьской версии списка Top-500 оснащены графическими ускорителями и ускорителями Intel Xeon Phi. Наиболее вероятно первый суперкомпьютер экзафлопсной производительности будет построен на основе гибридного подхода. На сегодняшний день уже существуют гидродинамические коды, оптимизированные для выполнения на суперЭВМ, оснащенных графических ускорителями [3] и ускорителями Intel Xeon Phi [4]. Разработка кодов для гибридных суперкомпьютеров не сугубо техническая задача, а отдельная сложная научная задача, требующая со-дизайна алгоритмов на всех стадиях решения задачи - от физической постановки до инструментов разработки.
При конструировании математической модели следует учитывать достижения и требования современной наблюдательной астрономии. Так актуальным является учёт магнитного поля в галактиках, так как его наличие обнаружено в рукавах галактики M51 [5] и серьезно влияет на процесс звездообразования. Бесстолкновительная компонента (звездная компонента галактик и темная материя) традиционно моделируется как задача N-тел, которая в случае бессеточного метода SPH моделируется тривиально, а вот в случае сеточных методов используется достаточно большое число подходов. Самым распространенным подходом являются particle/mesh методы, однако они имеют ряд вычислительных недостатков и ограничения на масштабируемость основанных на них программных реализаций. Одним из основных альтернативных подходов является модель, основанная на первых моментах бесстолкновительного уравнения Больцмана [6 - 9].
Будем рассматривать двухфазную гидродинамическую модель взаимодействующих галактик. Тогда постановка задачи заключается в совместном решении уравнений гравитационной магнитной газовой динамики с учетом охлаждения [10] и полной системы уравнений первых моментов бесстолкновительного уравнения Больцмана [11]. Для восстановления гравитационного потенциала используется подход Чуева [12], в основе которого лежит запись уравнения Пуассона в виде эволюционного уравнения для градиента потенциала.
В последние два десятилетия из широкого диапазона газодинамических численных методов для решения нестационарных трехмерных астрофизических задач используются два основных подхода: это лагранжев подход, в основном представленный SPH-методом и AMR (Adaptive Mesh Refinement). Несомненным достоинством SPH-метода является его галилеева инвариантность, однако нетривиальный выбор ядра сглаживания и параметров искусственной вязкости приводят к сомнениям получаемых результатов, кроме этого SPH метод не способен воспроизводить высокие градиенты плотности [13].
Использование адаптивных сеток позволяет эффективно воспроизводить высокие градиенты плотности и турбулентность, однако перестраивание сеток может полностью свести на нет вычисленные результаты. Кроме этого в любых эйлеровых методах имеют место сеточные эффекты. На наш взгляд, оптимальным решением является использование эйлерово-лагранжевого подхода в классическом виде [14], с использованием адаптивных сеток [15] или оригинальный подход, основанный на комбинации метода крупных частиц и метода Годунова (детали численного метода и его верификации подробно описаны в работах [1, 2, 4, 11, 13]).
Будем рассматривать дисковую галактику с равными массами звёздной и газовой компонент 1041 кг, распределение вещества в галактике задаётся как NWF-профиль [16].
Рис. 1. Изолинии энергии магнитного поля в ходе моделирования процесса замагничивания хвоста галактики, состоящего из сорванного с галактики газа.
Дисковая галактика движется в межгалактическом газе под углом б к направлению движения. Галактика в начальный момент времени имеет постоянное вертикальное магнитное поле 10-6 Гаусса. Для получения сценария процесса звездообразования в хвосте галактики, который состоит из сорванного с галактики замагниченного газа будем рассматривать движение дисковой галактики, наклоненной под углом б = 5 градусов к вектору движения, со скорость в начальный момент времени 600 км/с. В начальный момент времени облако галактического газа представляет собой обычное распределение в форме шара. Далее происходит стекание газа с галактики за счет сверхзвукового течения в межгалактической среде, которое со временем образует ярко выраженный хвост (см. рис. 1), который состоит из газа, сорванного с галактики.
Таким образом, в рамках двухфазной гидродинамической модели, реализованной в виде кода GPUPEGAS, была смоделирована на гибридном суперЭВМ ССКЦ СО РАН динамика образования хвостов галактик и процесс их замагничивания, аналогичное, наблюдаемому в спиралях галактики M51. Для кода GPUPEGAS в рамках одного графического ускорителя было получено 55-кратное ускорение и 94 % эффективность при использовании 60 графических ускорителей.
Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федерации МК-4183.2013.9, а также грантов Российского фонда фундаментальных исследований № 14-01-31199 и № 13-07-00589.
двухфазный гидродинамический галактика замагничивание
Список литературы
Tutukov A., Lazareva G., Kulikov I. Gas Dynamics of a Central Collision of Two Galaxies: Merger, Disruption, Passage, and the Formation of a New Galaxy // Astronomy Reports. 2011. Vol. 55, I. 9. P. 770-783.
Vshivkov V., Lazareva G., Snytnikov A., Kulikov I., Tutukov A. Hydrodynamical code for numerical simulation of the gas components of colliding galaxies // The Astrophysical Journal Supplement Series. 2011. Vol. 194, I. 47. P. 1-12.
Schive H., Tsai Y., Chiueh T. GAMER: a GPU-accelerated Adaptive-Mesh-Refinement Code for Astrophysics // The Astrophysical Journal. 2010. Vol. 186. P. 457-484.
Куликов И.М., Черных И.Г., Глинский Б.М. AstroPhi: программный комплекс для моделирования динамики астрофизических объектов на гибридных суперЭВМ, оснащенных ускорителями Intel Xeon Phi // Вестник ЮУрГУ, серия: Вычислительная математика и информатика. 2013. Т. 2, № 4. С. 57-79.
Fletcher A. et al. Magnetic fields and spiral arms in the galaxy // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2011. Vol. 412, I. 4. P. 2396-2416.
Mitchell N., Vorobyov E., Hensler G. Collisionless Stellar Hydrodynamics as an Efficient Alternative to N-body Methods // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2013. Vol. 428. P. 2674-2687.
Vorobyov E., Theis Ch. Boltzmann moment equation approach for the numerical study of anisotropic stellar disks // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2006. Vol. 373. P. 197-208.
Vorobyov E., Theis, Ch. Shape and orientation of stellar velocity ellipsoids in spiral Galaxies // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2008. Vol. 383. P. 817-830.
Samland M., Hensler G., Theis Ch. Modeling the Evolution of Disk Galaxies. I. The Chemodynamical Method and the Galaxy Model // The Astrophysical Journal. 1997. Vol. 476. P. 544-559.
Sutherland R.S. Cooling functions for low-density astrophysical plasmas // The Astrophysical Journal Supplement Series. 1993. Vol. 88. P. 253-327.
Kulikov I. A new GPU-accelerated hydrodynamical code for numerical simulation of interacting galaxies // arXiv, astro-ph. 2013.
Чуев Н.П. Построение трехмерной эволюционной дифференциальной модели динамики политропного самогравитирующего газа // Вестник УрГУПС. 2011. № 1. С. 14-21.
Kulikov I., Lazareva G., Snytnikov A., Vshivkov V. Supercomputer Simulation of an Astrophysical Object Collapse by the Fluids-in-Cell Method // Lecture Notes in Computational Science. 2009. Vol. 5698. P. 414-422.
Murphy J., Burrows A. BETHE-Hydro: An Arbitrary Lagrangian-Eulerian Multidimensional Hydrodynamics Code for Astrophysical Simulations // The Astrophysical Journal Supplement Series. 2008. Vol. 179. P. 209-241.
Springel V. E Pur Si Muove: Galilean-invariant Cosmological Hydrodynamical Simulations on a Moving Mesh // Monthly Notices of the Royal Astronomical Society. 2010. Vol. 401. P. 791-851.
Navarro J., Frenk C., White S. The Structure of Cold Dark Matter Halos // The Astrophysical Journal. 1996. Vol. 462. P. 563-575.
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Сущность и основное содержание теории большого взрыва, история ее разработок и оценка популярности на современном этапе. Выдающиеся отечественные и зарубежные ученые, внесшие вклад в развитие данного учения. Закон разбегания галактик и его нелинейность.
реферат [891,6 K], добавлен 25.01.2014История развития и краткое изложение гидродинамической теории смазки, методики использования уравнений этой теории и результаты расчетов. Совершенствование подшипников автомобильных двигателей и анализ их работы методом гидродинамической теории смазки.
реферат [114,5 K], добавлен 15.04.2011Трения в макро- и наномире. Принципиальное отличие сил трения от сил адгезии. Движение твердого тела в жидкой среде. Основные типы галактик: эллиптические, спиральные и неправильные. Пространственная структура Вселенной. Принцип относительности Галилея.
презентация [2,1 M], добавлен 29.09.2013Сущность гравитации - универсального фундаментального взаимодействия между материальными телами. Сходство между гравитационными и электромагнитными силами. Интересные факты о гравитации. Чёрные дыры в центрах галактик. Экспериментальная антигравитация.
реферат [28,3 K], добавлен 25.11.2014Поля скоростей в потоках при их движении и продолжительность пребывания в промышленных аппаратах. Идеализированные и неидеализированные модели гидродинамической структуры потоков, их сравнительная характеристика и описание, внутренняя структура.
презентация [119,2 K], добавлен 29.09.2013Электрическое поле Земли. Атмосферики, радиоизлучения Солнца и галактик. Физические основы взаимодействия электромагнитных полей с биологическими объектами. Главные преимущества и недостатки лазеротерапии. Глубина проникновения волн в различные ткани.
курсовая работа [179,2 K], добавлен 16.05.2016Гигантский радиотелескоп, помогающий обнаружить следы первых звезд и галактик. Электроника из графена, его многочисленные применения. Создание первого атомного рентгеновского лазера. Инновационные технологии, позволившие создать новый тип плоской линзы.
реферат [29,1 K], добавлен 08.01.2014Исторические аспекты термодинамики, ее основные понятия. Закон состояния (закон постоянства субстанции). Закон связи причины и действия. Закон взаимодействия. Современные проблемы термодинамики. Синергетика Хакена. Разбегание галактик, открытое Хабблом.
курсовая работа [70,2 K], добавлен 27.02.2013Физический вакуум: понятие, его частицы. Сущность космологического принципа. Закон всеобщего разбегания галактик. Общий вид закона Хаббла. Поперечная и продольная составляющая волны. Ненулевые эталоны параметров. Двухмерность и трёхмерность величин.
статья [23,6 K], добавлен 04.09.2013Коэффициенты диффузии, ступенчатые поверхности. Алгоритм Метраполиса, метод Монте-Карло, парциальное и среднее покрытие, термодинамический фактор. Диффузия системы взаимодействующих частиц. Зависимость среднего покрытия от химического потенциала.
дипломная работа [1,2 M], добавлен 10.12.2013Ускорение как непосредственный результат действия силы на тело. Теорема о кинетической энергии. Законы сохранения импульса и механической энергии. Особенности замкнутой и консервативной механических систем. Потенциальная энергия взаимодействующих тел.
реферат [132,0 K], добавлен 22.04.2013Модель потока с продольным перемешиванием. Определение числа реакторов аппроксимирующего каскада. Использование ячеечной модели. Ламинарный поток, осложненный диффузией. Тепловые балансы проточных реакторов для гомофазных процессов. Решение уравнения.
презентация [395,5 K], добавлен 17.03.2014Понятие и общая характеристика, а также основные свойства ударных волн. Анализ их термодинамики, происхождения, структуры. Факторы, влияющие на скорость распространения. Гидродинамическая теория и механизм детонации. Модель Зельдовича и Неймана.
реферат [67,5 K], добавлен 16.05.2015Способы построения программы в программной среде MatLab. Формулы, необходимые для математического моделирования физической модели. Построение графической модели колебания струны с жестко закрепленными концами. Создание физической модели колебания.
лабораторная работа [307,7 K], добавлен 05.01.2013Изучение теорий каустик, оптических свойств кривых и поверхностей на примере моделирования оптических систем в СКM Maple. Понятие каустики в рамках геометрической оптики, ее образования. Построение модели каустики, написание программных процедур.
дипломная работа [1,6 M], добавлен 16.06.2017Магнитное поле двухфазной, трехфазной обмотки. Пример обмотки одной фазы, состоящей из трех симметрично расположенных по окружности статора катушек, образующей шесть полюсов. Условия образования кругового поля. Синхронная скорость машины переменного тока.
контрольная работа [534,4 K], добавлен 25.11.2013Формулировка математической модели для описания процессов тепло- и массообмена в теплообменниках-испарителях в условиях теплопритока с учетом реальных свойств рабочего тела, листинг программного комплекса для математического моделирования этих процессов.
отчет по практике [41,8 K], добавлен 15.09.2015Номинальные скорость и мощность, индуктивность обмотки якоря, номинальный момент. Электромагнитная постоянная времени. Сборка модели двигателя постоянного тока. Задание параметров электрической части двигателя, механической части момента инерции.
лабораторная работа [282,5 K], добавлен 18.06.2015Моделирование как одно из средств отображения явлений и процессов реального мира. Основы и необходимые условия физического моделирования. Его использование в экспериментальных исследованиях. Влияние научно-технического прогресса на развитие моделирования.
реферат [15,2 K], добавлен 21.11.2010Сущность молекулярно-динамического моделирования. Обзор методов моделирования. Анализ дисперсионного взаимодействия между твердой стенкой и жидкостью. Использование результатов исследования для анализа адсорбции, микроскопических свойств течения жидкости.
контрольная работа [276,7 K], добавлен 20.12.2015