[論文レビュー] Lampray: Multi-group long characteristics ray tracing for adaptive mesh radiation hydrodynamics

Troels Frostholm, Troels Haugbølle+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 14, 2018

Computational Fluid Dynamics and Aerodynamics参考文献 1被引用数 4

ひとこと要約

Lamprayは、RAMSESコードにおける適応メッシュ放射流体力学のためのマルチグループ長特性線ルーティング法を導入し、影の形成、重なり合うビーム、非平衡化学を含む高精度な放射輸送を可能にする。H-He-C-O光化学反応（36種類、240反応）を統合し、H₂およびCOの自己遮蔽、ダスト温度/氷の形成を実装。レイトドメイン分割とハッシュテーブルによる照準により、並列処理を効率化。

ABSTRACT

We present Lampray: a multi-group long characteristics ray tracing method for adaptive mesh radiation hydrodynamics in the Ramses code. It avoids diffusion, captures shadows, and treats colliding beams correctly, and therefore complements existing moment-based ray tracing in Ramses. Lampray includes different options for interpolation between ray and cell domain, and use either integral, Fourier, or an implicit method for hydrogen ionization to solve the radiative transfer. The opacity can either be tabulated or computed through a coupling to the general non-equilibrium astro-chemistry framework Krome. We use an H-He-C-O network with 36 species and 240 reactions to track the photo-chemistry in the interstellar medium across 6 and 10 orders of magnitude in temperature and density. Self-shielding prescriptions for H$_2$ and CO are used together with a new model for the diffuse interstellar UV-field. We also track the dust temperature, formation of H$_2$ on grains, and H$_2$O and CO ices in detail. Lampray is tested against standard benchmarks for molecular cloud and star formation simulations, including the formation of a Strömgren sphere, the expansion of an ionization front, the photo-evaporation of a dense clump, and the H-He-C-O chemistry in a static photo-dissociation front. Efficient parallelisation is achieved with a separate domain decomposition for rays where points along a ray reside in the same memory space, and data movement from cell- to ray-domain is done with a direct hash-table lookup algorithm. Point sources are treated without splitting rays, and therefore the method currently only scales to a few point sources, while diffuse radiation has excellent scaling.

研究の動機と目的

• 適応メッシュ細分化（AMR）シミュレーションにおいて、影の形成、重なり合うビーム、拡散的でない輸送を的確に捉える高精度な放射輸送手法の開発。
• 非平衡星間化学（H-He-C-Oネットワーク、36種類、240反応）を放射輸送と結合し、星間媒体の状態を正確にモデル化。
• H₂およびCOの自己遮蔽、拡散的星間UV場のモデル化、ダスト温度の時間発展、および粒子上での氷形成を含む。
• レイト空間におけるドメイン分割と直接ハッシュテーブル照準による、レイトルーティングの効率的並列化を実現。
• 点光源および拡散放射場を伴う放射流体力学シミュレーションのスケーラブルなソリューションを提供、特に星形成および原始星環境に特化。

提案手法

• 離散的なレイトに沿った放射輸送を計算するためのマルチグループ長特性線ルーティングを用い、フラックス制限拡散の不自然な拡散を回避し、角度分解能を保持。
• 水素イオン化には積分、フーリエ、または暗黙のc2ray法を採用し、レイトとセルの領域間の補間オプションを備える。
• 時間依存化学ネットワークを6〜10桁の密度および温度範囲で解くために、KROME星間化学フレームワークと統合。
• 修正されたLyαベースの規定を用いてH₂およびCOの自己遮蔽をモデル化し、更新されたパrameterを用いて拡散的星間UV場をモデル化。
• ダスト温度の時間発展を追跡し、粒子上でのH₂生成とH₂O/CO氷の形成・消失を、凍結および脱着プロセスを含む表面反応でモデル化。
• レイトごとの別々のドメイン分割によりレイトルーティングを並列化し、セルからレイト領域へのデータ移動を直接ハッシュテーブル照準アルゴリズムで実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 適応メッシュ細分化における長特性線ルーティングが、放射流体力学シミュレーションで影の形成や重なり合うビームを的確に捉えられるか？
• RQ2 自己遮蔽およびダストプロセスを含む非平衡H-He-C-O化学が、原始星および分子雲環境の構造的・時間的進化に与える影響はいかほどか？
• RQ3 並列AMRフレームワーク内において、点光源と拡散放射場の両方のレイトルーティングの性能スケーリングはどのようになるか？
• RQ4 自己遮蔽および更新されたUV場モデルが、星間媒体におけるイオン化および分子化学の精度に与える影響は？
• RQ5 ダスト温度および氷形成の取り込みが、放射流体力学シミュレーションの物理的現実性をどの程度向上させるか？

主な発見

• Lamprayは、フラックス制限拡散による不自然な拡散を回避し、放射流体力学で影の形成と重なり合うビームを的確に捉えた。
• ストルムグレン球形成、イオン化フロントの拡大、高密度クラスタの光蒸発といったベンチマークテストを的確に再現。
• 36種類、240反応のH-He-C-Oネットワークにより、密度および温度が6〜10桁の範囲で非平衡化学を自己整合的にモデル化可能。
• H₂およびCOの自己遮蔽が効果的にモデル化され、低光学的厚さ領域での精度が向上し、標準的手法に比べ過剰イオン化が低減。
• ダスト温度の時間発展および氷の形成・消失プロセスが一貫して追跡可能で、凍結および脱着レートは温度および密度依存レートで計算。
• ハッシュテーブル照準を用いたレイトドメイン分割により、並列処理が効率的で、拡散放射場では優れたスケーリングを示したが、点光源処理の制限により数個の光源に限ってスケーリングが制限される。