[論文レビュー] EvoL: The new Padova T-SPH parallel code for cosmological simulations - I. Basic code: gravity and hydrodynamics

E. Merlin, U. Buonomo+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 9, 2009

Fluid Dynamics Simulations and Interactions参考文献 63被引用数 20

ひとこと要約

EvoLは、銀河形成と進化のための宇宙論的シミュレーションを目的とした、Fortran95で記述された新しい並列的・適応的・完全ラグランジュ型N体コードである。重力と滑らかく粒子流体力学（SPH）の両方においてバーンズ＝ハット木構造を用い、適応的ソフトニング長、可変人工粘性、人工的熱伝導といった高度な機能を統合することで、標準的な流体力学的テストにおいてエネルギーと角運動量の保存が極めて良好となり、それぞれ1%および6%未満の誤差で実現された。

ABSTRACT

We present EvoL, the new release of the Padova N-body code for cosmological simulations of galaxy formation and evolution. In this paper, the basic Tree + SPH code is presented and analysed, together with an overview on the software architectures. EvoL is a flexible parallel Fortran95 code, specifically designed for simulations of cosmological structure formation on cluster, galactic and sub-galactic scales. EvoL is a fully Lagrangian self-adaptive code, based on the classical Oct-tree and on the Smoothed Particle Hydrodynamics algorithm. It includes special features such as adaptive softening lengths with correcting extra-terms, and modern formulations of SPH and artificial viscosity. It is designed to be run in parallel on multiple CPUs to optimize the performance and save computational time. We describe the code in detail, and present the results of a number of standard hydrodynamical tests.

研究の動機と目的

• クラスターや銀河、それ以下のスケールをカバーする、柔軟で並列的かつ自己適応的なN体コードの開発。
• 前回のPd-Tsphコードを改善し、数値的精度、性能、アルゴリズムの頑健性を向上させること。
• 既知のSPHの欠陥（不自然なせん断粘性、接触不連続界面の扱いの悪さなど）を是正するため、現代的なSPHおよび人工粘性の定式化を実装すること。
• 信頼性の高い宇宙論的シミュレーションに不可欠な、流体力学的テストにおけるエネルギーおよび角運動量の高精度保存を確保すること。
• 別紙で非標準的物理（放射冷却、星形成、フィードバック機構など）の将来的な統合の基盤を築くこと。

提案手法

• 重力計算には、O(N log N)スケーリングを達成するバーンズ＝ハット八分木アルゴリズムを採用。
• 現代的な定式化（∇h項および可変α人工粘性を含む）を用いた滑らかく粒子流体力学（SPH）を実装し、数値的拡散を低減。
• 近接衝突におけるエネルギー誤差を防ぐために、自己一貫的補正項を伴う適応的ソフトニング長を採用。
• 接触不連続界面の安定化およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性のモデル化改善のため、人工的熱伝導を追加。
• MPIを用いた並列化により、マルチCPU環境での実行を実現。負荷分散および効率的なデータ構造により性能最適化。
• 可変時間ステップと周期的境界条件を用いた時間積分法を採用。完全ラグランジュ的・グリッドフリーな粒子追跡を設計。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 EvoLは、重力と流体力学を含む標準的な流体力学的テストにおいて、エネルギーおよび角運動量をどの程度正確に保存するか？
• RQ2 補正項を伴う適応的ソフトニング長は、固定ソフトニングと比較してエネルギー誤差を顕著に低減できるか？
• RQ3 人工的熱伝導および可変粘性は、接触不連続界面およびケルビン＝ヘルムホルツ不安定性の解像度をどの程度向上させるか？
• RQ4 宇宙論的シミュレーションにおいて、複数CPUでの並列実行におけるバーンズ＝ハット木構造のスケーリング特性はいかがなものか？
• RQ5 現代的なSPH定式化は、回転するガスおよびダークマター成分を含むシミュレーションの精度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• エネルギー保存は全テストで優れた性能を示し、最大誤差は1%未満であり、適応的ソフトニング方式が固定ソフトニング方式を上回った。
• 角運動量保存は極めて正確であり、最も挑戦的な反転回転テストにおいても最大相対誤差はわずか約6%にとどまった。
• 人工的熱伝導の導入により、接触不連続界面の取り扱いやケルビン＝ヘルムホルツ不安定性のモデル化が顕著に改善され、数値ノイズが低減した。
• 回転テスト（TC3およびTC4）におけるガスおよびダークマター成分は、現実的なディスク形成と速度分布を示し、反転回転ケースではガスがダークマターと共回転した。
• すべての標準的流体力学的テスト（セドフ＝テイラー爆発、ショックチューブ問題など）において、理論的期待値が正確に再現された。
• 並列実装は効率的にスケーリングされ、マルチCPU環境で大規模な宇宙論的シミュレーションを短時間で実行可能となった。