Discontinuous galerkin methods for general relativistic hydrodynamics

Bugner, Marcus GND

Diese Arbeit dokumentiert die Implementierung und Überprüfung einer neuen numerischen Methodik zur allgemeinrelativistischen Simulation von Neutronensternen. Hierbei wurden die GHG-Gleichungen mit Hilfe einer pseudospektralen Penalty-Methode diskretisiert, um die Metrik-Variablen zu evolvieren. Zur Behandlung der hydrodynamischen Variablen wurde sowohl eine diskontinuierliche Galerkin-Methode, als auch ein Finite-Volumen-Verfahren auf krummlinigen Gittern implementiert. Zusätzlich wurden dem Code Techniken zur Schockerkennung und -behandlung hinzugefügt. Diese Bestandteile wurden in umfangreichen Tests validiert. Hierbei wurden numerische Fehler in der Massenerhaltung, in der Einhaltung von physikalischen Zwangsbedingungen und im Vergleich mit analytischen Lösungen betrachtet. Die zugehörigen Konvergenzordnungen aller Methoden wurden untersucht. Dabei wurde eine Konvergenzordnung ~2 bei aktiver Schockbehandlung und mögliche Konvergenzordnungen >2 für die reine diskontinuierliche Galerkin-Methode festgestellt. Weiterhin wurde bestätigt, dass die numerische Einhaltung der metrischen Identitäten essentiell für die Massenerhaltung in Fluiddynamik-Simulationen ist. Eine aktive Schockbehandlung erlaubte die stabile und numerisch konvergente Simulation von statischen, rotierenden oder oszillierenden Neutronensternen. Dank der vorgestellten Modifikationen des bamps Codes ist dieser nun in der Lage, die frontale Kollision zweier Neutronensterne zu simulieren. Neben der Extraktion des zugehörigen Gravitationswellensignals wurde die Simulation genutzt, um das nahezu ideale Skalierungsverhalten der Rechenzeit von bamps aufzuzeigen. Abschließend wurde der neuartige Duale-Blätterung-Formalismus angewandt, um die Wellengleichung auf einem numerischen Gitter zu lösen, welches die lichtartige Zukunftsunendlichkeit beinhaltet. Wir zeigen erste erfolgreiche Tests dieses Verfahrens.

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Bugner, Marcus: Discontinuous galerkin methods for general relativistic hydrodynamics. Jena 2018.

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