Моделирование столкновений облаков межзвездного газа, содержащих пылевую компоненту

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

www. volsu. ru
УДК 51−76: 612 ББК 58
МОДЕЛИРОВАНИЕ СТОЛКНОВЕНИЙ ОБЛАКОВ МЕЖЗВЕЗДНОГО ГАЗА, СОДЕРЖАЩИХ ПЫЛЕВУЮ КОМПОНЕНТУ
Хоружий Александр Николаевич
Магистрант кафедры теоретической физики и волновых процессов, Волгоградский государственный университет z0rgent@gmail. com
просп. Университетский, 100, 400 062 г. Волгоград, Российская Федерация
Ключевые слова: межзвездная среда, облака межзвездного газа, межзвездная пыль, газодинамика, численное моделирование.
Межзвездная среда в современной астрофизике рассматривается как сложная многофазная и многокомпонентная среда. Основными ее компонентами являются межзвездные газы. Они, в свою очередь, состоят в основном из водорода (в молекулярной, атомарной или ионизованной форме), гелия и пыли (твердых микроскопических частиц). В среднем масса пыли оценивается в 1% от общей массы газа. Размер частиц, составляющих пыль, колеблется от 1 нм до 0,3 мкм, причем распределение пылинок по размеру имеет вид п (а)~ат3−5'-[5]. При этом, несмотря на относительно малое содержание в межзвездной среде, космическая пыль играет важную роль в физико-химических процессах, протекающих в ней. В частности, благодаря адсорбции молекул из газовой фазы становятся возможными цепочки некоторых химических реакций, например, синтез молекулярного водорода. Кроме того, пылевая среда влияет на темп ¦о нагрева (охлаждения) газа и его динамические характеристики. ^ Важным обстоятельством является тот & lt-('- факт, что пространственное распределение пыли весьма неравномерно. Она имеет тенденцию к концентрации в спиральных рукавах $ галактик, где образует вытянутые или перис-© тые облачные структуры в газовых облаках.
Каким бы ни был физический механизм образования облаков, в дальнейшем по достижении определенной плотности они становятся гравитационно неустойчивыми и начинают коллапсировать [1- 5]. В современной астрофизике сжатие облаков под воздействием самогравитации рассматривается как начальная стадия процесса звездообразования. Согласно наблюдениям, интенсивное звездообразование происходит в холодных богатых молекулярным водородом облаках с высокой плотностью вещества — гигантских молекулярных облаках. С другой же стороны разреженная фаза межзвездной среды содержит в основном водород в атомарном или ионизованном состояниях, температура которого составляет 104К и выше. Это означает, что должен быть некий механизм перевода водорода в молекулярное состояние — скорее всего, это и есть синтез молекул на пылинках. Концентрация газа и пыли после первичного уплотнения облака резко возрастает, а значит возрастает как вероятность протекания химических реакций, так и их темп. В этой связи оказывается важным представлять себе пространственное распределение пыли и ее динамику в коллапсирующем облаке — от них зависит как химический состав, так и темп охлаждения облака.
Такой сценарий формирования газопылевых комплексов описывается сложной согласованной физико-химической моделью, одной из важных деталей которой является динамика газопылевой среды. Описание движения газа и пыли в самом широком диапазоне плотностей, температур и скоростей является сложной задачей, в редких случаях решаемой чисто аналитическими методами. В настоящее время численные методы и моделирование на вычислительных машинах представляется наиболее эффективными средствами для рассмотрения задач астрофизики, в которой в принципе невозможны натурные эксперименты.
Целью данной работы являлось построение и тестирование численной схемы для моделирования газопылевых течений на основе подхода, при котором используется модель сплошной среды для газа и модель частиц для пыли. При таком подходе требуется не только реализации двух разных численных схем, но и должна быть обеспечена корректная «сшивка» при передаче данных о взаимодействии пыли с газом. Несмотря на сложность реализации такой гибридной схемы, данный метод обладает и их достоинствами, в частности, корректно передавая особенности динамики пыли, так называемые мультипотоковые течения и требуя небольших затрат системных ресурсов для расчета динамики газовой компоненты.
Двухкомпонентное газопылевое течение при отсутствии внешних сил, теплопроводности и тепло- и массообмена между пылью и газом может быть описано в рамках модели сплошной среды следующим образом. Для газовой компоненты имеем:
дР
действие пыли на газ ввиду малого содержания пыли. Динамика пылевых частиц описывается следующей системой:
— = Vс
л с
дреи
~дГ
дРЕ дг
-р + & amp-у (рвй) = 0
+ сНур й ® й) = -Ур + К
+ & amp-у (й (Е + p)) = Гп -Ли2
где гв — плотность, и — скорость, р — давление, Е -плотность полной энергии газа, Г — функция объемного нагрева, Л (7) — функция объемного охлаждения газа, зависящая от его температуры Т [7]. Отметим, что в данной модели не учитывается воз-
^ = -п а2АУл — квТш + к2ш (Ау)2 • - Сг * V 9 в '- '- Бк
где Бк — отношение между временем релаксации для частиц пыли и характерным динамическим временем (число Стокса), v- скорость частиц пыли, а — их радиус, А V- скорость пылинки относительно газа, ш* - масса частицы газа, п — концентрация газа.
Для решения уравнений газовой подсистемы использовалась явная консервативная численная схема типа MUSCL 2-го порядка точности по времени и 3-го по пространству [2- 3]. Уравнения динамики пылинок интегрировались по схеме Рунге-Кутта 4-го порядка точности [6].
В рассматриваемой тестовой задаче процесс столкновения облаков происходит в «теплой» среде (Т = 9 • 103 К), содержащих два «холодных» облака (Т = 70 К) радиуса 2.5 пк, которые находится в тепловом и динамическом равновесии с окружающей средой. Концентрация межоблачного газа принята равной характерному значению 0.1 см-3, концентрация газа в облаках ~13 см-3. Одно из облаков неподвижно, скорость второго варьируется в пределах 5−20 км/с, характерных для облаков межзвездной среды. Скорости пылинок в начальный момент принимаются равными скорости облака, количество «пылинок» в каждом облаке в разных тестах принималось равным 103, 104, 105 и 106, то есть каждой модельной пылевой частице в этих моделях соответствует разное количество реальных пылинок, определяемое отношением их содержания (характерная концентрация пыли в облаках 0. 001 см-3) к числу модельных частиц.
При выполнении работы был написан код, реализующий численные схемы, проведены его тесты и проведена его оптимизация. Пробные расчеты показали хорошую производительность кода и устойчивость численной схемы в условиях, рассматриваемых в тестах.
42
А. Н. Хоружий. Моделирование столкновений облаков межзвездного газа
СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ
1. Бочкарев, Н. Г. Основы физики межзвездной среды / Н. Г. Бочкарев. — М.: Изд-во МГУ, 1991. — 352 с.
2. Калиткин, Н. Н. Численные методы / Н. Н. Калиткин. — СПб.: БХВ-Петербург, 2011. — 586 с.
3. Куликовский, А. Г. Математические вопросы численного решения гиперболических систем уравнений / А. Г. Куликовский, Н. В. Погоре-лов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2001. — 608 с.
4. Спитцер, Л. Физические процессы в межзвездной среде / Л. Спитцер. — М.: Мир, 1981.- 350 с.
5. Krugel, E. The physics of interstellar dust / E. Krugel. — IOPPublishing, 2003.
6. Toro, E. F. Riemann solvers and numerical methods for fluid dynamics / E. F. Toro. — Springer, 1999.
7. Wolfire, M. G. The neutral atomic phases of the interstellar medium / M. G. Wolfire, E. L. Bakes // Astrophysical Journal. — 1995. — Vol. 443. — P. 152−168.
SIMULATION OF COLLISION OF INTERSTELLAR CLOUDS INCLUDING DUST COMPONENT
Khoruzhiy Aleksander Nikolaevich
Master Student, Department of Theoretical Physics and Wave Processes,
Volgograd State University
z0rgent@gmail. com
Prosp. Universitetsky, 100, 400 062 Volgograd, Russian Federation
Key words: interstellar media, interstellar clouds, interstellar dust, gas dynamics, numerical simulations.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой