Shocks in the Illustris Universe and Discontinuous Galerkin Hydrodynamics [article]

Kevin Schaal
2016
Zusammenfassung Die Erforschung hochgradig nichtlinearer astrophysikalischer Systeme und Prozesse hängt in zunehmender Weise von numerischen Simulationverfahren ab. Die Ziele dieser Arbeit liegen in der Entwicklung neuartiger Analysemethoden für kosmologische Simulationen und der Einführung neuer numerischer Methoden zur Verbesserung ihrer Genauigkeit. Wir stellen die Implementierung eines Algorithmus zur Stoßwellendetektierung für den AREPO-Code mit bewegtem Gitter vor. Damit analysieren wir
more » ... oßwellen in Illustris, einer hochmodernen kosmologischen Galaxienentstehungssimulation. Wir identifizieren Stoßwellen verschiedenster Art, zum Beispiel aufgrund von Akkretionsprozessen, Strukturkollisionen, schwarzen Löchern, und galaktischen Winden. Die stärksten Stoßwellen werden hierbei durch schwarze Löcher hervorgerufen. Zu späten Zeiten messen wir eine spezifische Stoßwellendissipationsrate, die relativ umgebungsunabhängig ist, von 10 −1 erg g −1 s −1 . In einem weiteren Projekt beschreiben und implementieren wir eine diskontinuierliche Galerkin (DG) Methode höherer Ordnung zur Lösung der idealen Gasgleichungen auf einem strukturierten Gitter, welches lokal verfeinert werden kann. Durch Vergleich mit einem traditionellen Finiten-Volumen-Verfahren finden wir, dass DG geringere Diffusions-und Advektionsfehler aufweist, sowie für rotierende Systeme zu bevorzugen ist. Unsere Ergebnisse belegen ein großes Potenzial dieser Methode für astrophysikalische Anwendungen. Abstract The study of highly-nonlinear astrophysical systems and processes increasingly relies on simulation techniques. This thesis aims to develop new analysis methods for cosmological simulations and advance their accuracy by introducing novel numerical methods. We present the implementation of a shock finding algorithm for the moving-mesh code AREPO, and use it to an analyse shocks in Illustris, a cosmological stateof-the-art simulation of galaxy formation. We identify a large diversity of shock morphologies, including accretion shocks, merger shocks, as well as feedback shocks due to galactic winds and black holes; the latter produce the strongest shocks in the simulation. At late times, we measure a specific energy dissipation rate at shocks of 10 −1 erg g −1 s −1 , fairly independent of the cosmological environment. In another project we formulate and implement a higher-order discontinuous Galerkin (DG) scheme on a structured mesh, which can be adaptively refined, for solving the equations of ideal hydrodynamics. We find that DG produces significantly less diffusion and smaller advection errors compared to a traditional finite volume scheme, and is superior in evolving rotating objects. These results demonstrate that DG offers a high potential for astrophysical applications.
doi:10.11588/heidok.00021571 fatcat:zruyzcvcjvah7d3nrminekfkr4