含真实气体状态方程和M1辐射转移近似的二维辐射流体动力学程序的开发及应用

Radiationhydrodynamics is one of the cutting-edge fields in computational astrophysics. Radiative transfer and the equations of state play important roles in many astrophysical phenomena such as the formation and evolution of planets, stars, accretion disks, and galaxies. However, the radiationhydrodynamic equations and realistic gas equations of state are highly nonlinear, and their solutions can only be found numerically. Therefore, we need an efficient radiationhydrodynamic algorithm and code to utilize the rapidly increasing parallel computing power. The principal goal of this project is to develop a code that can solve the radiationhydrodynamic equations with a realistic equation of state and the M1 radiative transfer approximation. We will solve the hydrodynamic equation and a realistic equation of state with a newly developed hydrodynamic algorithm, and we will further design an original algorithm to solve the equation of state and radiative transfer equations together. The code shall have the capability of static-mesh-refinement and a wide range of applicability. We plan to apply the new radiationhydrodynamic code to study the accretion disk around main-sequence stars and planet formation. We will also explore more applications to other astrophysical fields and promote collaborations between computational astrophysics and other fields in China.

辐射流体动力学是计算天体物理的前沿领域之一。绝大多数天体物理现象，例如行星，恒星，吸积盘和星系的形成和演化都与辐射转移和气体的状态方程有关。然而，真实的气体状态方程和辐射流体方程都是高度非线性的，因此我们只能寻找数值解。随着计算机的并行计算能力的快速提升，我们需要能够高效利用计算机性能的辐射流体模型的算法和程序。本项目的目标是开发一个二维含真实状态方程和M1辐射转移近似的辐射流体动力学程序。我们将采用最新开发的流体力学算法来求解的含真实状态方程的流体力学模型，并设计出能将状态方程与辐射转移方程耦合求解的原创算法。程序将具有静态网格加密功能和广泛的适用范围。我们计划利用程序研究绕主序星吸积盘和行星形成问题。同时，我们也会与其他领域的同行一起探索该程序在更多天体物理问题中的应用，加强国内原创计算天体物理领域与其他领域的合作交流。

辐射转移对于行星形成和恒星演化具有重要意义。同时，流体模型是当前计算天体物理领域有效并被广泛采用的模型之一。因此，结合项目负责人对气体状态方程的丰富经验，我们开发了一个二维含一般状态方程的辐射流体动力学程序，命名为“光启”。“光启”是首个能够将状态方程和辐射流体自洽求解的基于网格的程序。其中，状态方程包括了诸如氢分子分解，氢原子电离的热平衡下的化学反应。同时，“光启”具备自适应网格加密功能来提高运算效率。我们通过严格的测试证明了“光启”可以用来求解含一般状态方程的稳态，激波，激波冷却，流体不稳定性和二维辐射转移问题。程序源代码采用Fotran编写，并运用MPI实现了并行。目前，我们已经利用“光启”研究了含真实气体状态方程的气态巨行星在吸积过程中的激波冷却和辐射转移问题。我们发现气体落到行星表面激波产生的辐射在高吸积率或大质量行星的条件下可以将未落到表面的氢分子分解，从而增加行星的初始熵。我们将在接下来的两年内利用“光启”研究气态巨行星的吸积和成长过程，亮红新星奇特的光变曲线的物理原因，以及探索渐进巨星支星风和洛希瓣吸积盘的辐射流体模型。我们相信具有真实状态方程的辐射流体模型将会在这些问题中发挥巨大作用。