[論文レビュー] Adaptively refined large eddy simulations of clusters

A. E. Maier, Luigi Iapichino+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2009

Galaxies: Formation, Evolution, Phenomena参考文献 56被引用数 40

ひとこと要約

本稿では、大規模済み乱流（LES）の小スケール（SGS）モデルと組み合わせた新規の適応メッシュ細分化（AMR）フレームワーク——「fearless」と呼ばれる——を導入し、銀河団における乱流をシミュレートする。非解像化された乱流は内部エネルギーの1%未塔にとどまるが、特に合体イベント中に散逸を強化することで、コアのエントロピーと温度に顕著な影響を及ぼし、標準的な断熱シミュレーションと比較してより物理的に整合性のあるICMエネルギー予算を提供する。

ABSTRACT

We present a numerical scheme for modelling unresolved turbulence in cosmological adaptive mesh refinement codes. As a first application, we study the evolution of turbulence in the intra-cluster medium and in the core of a galaxy cluster. Simulations with and without subgrid scale model are compared in detail. Since the flow in the ICM is subsonic, the global turbulent energy contribution at the unresolved length scales is smaller than 1% of the internal energy. We find that the production of turbulence is closely correlated with merger events occurring in the cluster environment, and its dissipation locally affects the cluster energy budget. Because of this additional source of dissipation, the core temperature is larger and the density is smaller in the presence of subgrid scale turbulence than in the standard adiabatic run, resulting in a higher entropy core value.

研究の動機と目的

• 高レイノルズ数を有する宇宙論的銀河団シミュレーションにおいて、非解像化された乱流をシミュレートする課題に対処すること。
• 小スケール乱流が銀河団間物質（ICM）のエネルギー予算および熱力学的構造に与える影響を調査すること。
• 適応メッシュ細分化（AMR）を用いたLESが、塊状でマルチスケールな天体流体の乱流混合および散逸をよりよく捉えることができるかを検証すること。
• SPH法とグリッドベースコードの間で観測されるコアエントロピープロファイルの乖離を解明し、数値的乱流モデルの役割を評価すること。
• 乱流が静水的質量推定値および銀河団コアの進化に与える影響を評価すること。

提案手法

• 適応メッシュ細分化（AMR）を用いて、衝撃波や塊体など、高動的レンジを持つ空間的構造を銀河団シミュレーションで解像する。
• ドイツン型の小スケール（SGS）モデルを導入し、非解像化された乱流運動が解像スケールに与える影響をパラメータ化する。
• SGSモデルをEnzoコードに統合し、AMRフレームワーク内での大規模済み乱流（LES）シミュレーションを可能にし、乱流スケールのエネルギー伝達を再現する。
• SGSモデルを有する・なしの両方のシミュレーションを実行し、乱流が熱力学的プロファイルおよびエネルギー散逸に与える影響を分離する。
• 「fearless」と名付けられたこのフレームワークにより、塊状媒体（ICMなど）における間歇的で非等方的な乱流の高解像度モデリングが可能になる。
• エネルギー伝達が非解像スケールを跨いで行われるにあたり、特に合体イベント中に乱流エネルギーの生成と散逸を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非解像化された乱流は、銀河団コアにおける銀河団間物質（ICM）の熱力学的状態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 小スケール乱流は、ICMにおけるエネルギー散逸および加熱にどの程度寄与するか？
• RQ3 合体駆動型の乱流運動は、断熱シミュレーションと比較して、どのようにクラスターコアのエントロピーおよび温度プロファイルを変化させるか？
• RQ4 AMRとLESの組み合わせにより、標準的なグリッドベースシミュレーションで見られるエントロピーコアの人工的平坦化を解消できるか？
• RQ5 乱流散逸は、静水的質量推定値およびクラスターダイナミクスをどのように変化させるか？

主な発見

• ICMにおける非解像化された乱流エネルギー寄与は内部エネルギーの1%未塔であり、エネルギー貯蔵庫としては軽微だが、散逸経路としては顕著である。
• 乱流生成は合体イベントと強く相関しており、運動エネルギーが非解像スケールにキャスケードされ、局所的に散逸する。
• SGS乱流を含めたシミュレーションでは、断熱シミュレーションと比較してコア温度が上昇し、コア密度が低下し、より平坦で高エントロピーのコアプロファイルが得られる。
• SGS実行時のエントロピーの上昇は、グリッドベースコードにおける平坦なエントロピーコアが、数値的ノイズではなく、流体力学的効果に起因する可能性を示唆する。
• 乱流散逸は外部エネルギー源として機能するのではなく、エネルギーを準拠化の過程で長時間スケールに跨って再配分し、熱的構造を変化させる。
• 結果から、ICMの熱力学的性質を正確に再現するには乱流モデリングが不可欠であり、現在のグリッドコードでは非解像化された乱流を適切に扱わなければ、混合の過剰推定が生じる可能性がある。