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Hess, Steffen (2011): Particle hydrodynamics with tessellation techniques. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Um Galaxien, Galaxienhaufen oder noch größere Strukturen im Universum detailliert zu simulieren, benötigt man eine korrekte Simulation des in diesen Objekten vorhandenen Gases. Eine Möglichkeit zur Simulation dieses Gases bietet das etablierte Verfahren ``Smoothed Particle Hydrodynamics (SPH)''. Diese Methode empfiehlt sich besonders wegen ihrer intrinsischen geometrischen Flexibilität und ihrer adaptiven Auflösung. Neuere Untersuchungen zeigten aber, dass SPH in Situationen, in denen große Dichtesprünge auftreten, ungenau wird. Hier kann es zu einem unphysikalisch verlangsamten Wachstum von hydrodynamischen Instabilitäten kommen. Diese Probleme von SPH können vor allem auf systematisch bedingte Ungenauigkeiten in der Dichtebestimmung dieser Methode zurückgeführt werden. Um diese Probleme zu vermeiden, haben wir eine neue ``Voronoi Particle Hydrodynamics'' (VPH) genannte Methode enwickelt, um die Hydrodynamik zu simulieren. Dabei wird die Dichte der Simulationsteilchen mit Hilfe eines zusätzlichen Gitters bestimmt. Dieses Gitter ist eine Voronoi Pflasterung, die auf auf den Positionen der Teilchen basiert. Mit Hilfe dieses Prinzips können hydrodynamische Instabilitäten korrekt simuliert werden. Situationen, in denen Scherströmungen entlang großer Dichtesprünge auftreten und zu hydrodynamische Instabilitäten führen, sind besonders ungünstig für SPH, da es hier zu großen Ungenauigkeiten kommen kann. Eine Anwendung, in der solche Situationen zu erwarten sind, ist der Einfall einer Galaxie in einen Galaxienhaufen. Dabei verliert die Galaxie aufgrund des anströmenden Galaxienhaufen-Gases zunehmend Gas an den Galaxienhaufen. Da SPH aufgrund seiner Dichtebestimmung diesen Prozess nicht korrekt simuliert, ermittelt SPH einen zu geringen Verlust von Gas. Wir konnten dies mit Hilfe unserer Simulationen belegen. Wir haben diese Resultate sowohl mit Simulationen von Galaxien, die in einen Galaxienhaufen fallen, als auch mit kosmologischen Simulationen von sich bildenden Galaxienhaufen überprüft. Dort bestätigte sich, dass in SPH der Gasverlust der einfallenen Galaxien zu gering ist. Desweiteren ist der Gasverlust in den AREPO Simulationen stets am höchsten, während VPH eine mittlere Stellung einnimmt. Wir konnten ingesamt zeigen, dass VPH in Situationen mit großem Dichtekontrast eine Verbesserung zu SPH darstellt. Auch wenn unsere Resultate keine vollständige Übereinstimmung mit dem Gitter-basierten AREPO Code zeigen, stellen sie doch eine wichtige Annährung zwischen Teilchen- und Gitter-basierten hydrodynamischen Verfahren dar. VPH empfiehlt sich vor allem als eine gegenüber SPH verbesserte Methode zur Simulation von hydrodynamischen Prozesssen in kosmologischen Problemen.