Radiation Magnetohydrodynamics (Rad-MHD) 코드 개발 I
[Study Note] Rad-MHD: FLD approximation vs M1 closure
설명용 blog 문체는 이번 글에서 버립니다.
이 문서는 내가 구현하면서 다시 보는 working note입니다.
핵심 키워드 네 개만 고정:
- sign convention
- asymptotic limit
- stiffness
- realizability
0) Scope (이번 note에서 다루는 것)
- non-relativistic single-fluid MHD
- grey radiation approximation (frequency-integrated)
- FLD approximation
- M1 moment closure
- numerical implementation 관점의 체크포인트
1) 먼저 고정할 convention
magnetic-field unit convention은 $4\pi=1$.
variables:
- $\rho$: mass density
- $\mathbf{v}$: fluid velocity
- $P$: gas pressure
- $\mathbf{B}$: magnetic field
- $E$: total energy density (internal + kinetic + magnetic)
- $E_r, \mathbf{F}_r, \mathbb{P}_r$: radiation energy density, radiation flux, radiation pressure tensor
- $G^\mu=(G^0,\mathbf{G})$: radiation four-force density on matter
sign convention:
- matter equations: $+\mathbf{G}, +cG^0$
- radiation equations: $-\mathbf{G}, -cG^0$
이 부호를 처음에 고정하지 않으면 뒤에서 계속 꼬입니다.
2) Governing equations (baseline card)
- Mass conservation
- Momentum conservation
- Total energy conservation (ideal-MHD form)
- Induction equation (ideal MHD)
- Resistive extension
resistive MHD를 쓰면 energy equation에 Ohmic heating term도 같이 관리해야 합니다.
- Divergence constraint
- Radiation moment equations
- Equation of state (ideal gas)
3) RSLA memo
Reduced Speed of Light Approximation (RSLA)는 radiation transport time scale을 줄여서 cost를 낮춥니다.
- wave speed를 정하는 $c$: $\hat{c}\ll c$로 대체 가능
- matter-radiation coupling source term의 물리적 $c$: 보통 유지
coupling term까지 같이 줄이면 equilibrium temperature와 coupling time scale이 왜곡될 수 있습니다.
RSLA는 trick이 아니라 error budget 선택입니다.
4) FLD approximation note
FLD는 radiation field를 diffusion limit로 처리합니다.
\[\mathbf{F}_r = -\frac{c\lambda(R)}{\kappa_R \rho}\nabla E_r,\qquad R=\frac{|\nabla E_r|}{\kappa_R\rho E_r}\]필수 limit:
- $R\ll1$: $\lambda\to 1/3$ (diffusion limit)
$R\gg1$: $\lambda\to 1/R$ (free-streaming limit) $ \mathbf{F}_r \le cE_r$
대표 flux limiter:
- Levermore-Pomraning: \(\lambda(R)=\frac{2+R}{6+3R+R^2}\)
- Minerbo: \(\lambda(R)=\frac{1}{R}\left(\coth R-\frac{1}{R}\right)\)
grey-LTE form:
\[\frac{\partial E_r}{\partial t} - \nabla\cdot\left(\frac{c\lambda(R)}{\kappa_R\rho}\nabla E_r\right) = c\kappa_P\rho(a_rT^4-E_r)\]Non-LTE에서는 $\kappa_P,\kappa_E,\kappa_A$를 동일값으로 두지 않습니다.
FLD 한 줄 요약:
- Pros: 단순하고 optically thick regime에서 안정적
- Cons: angular fidelity가 낮아 shadowing, multi-beam crossing에서 약함
5) M1 closure note
M1 closure는 Radiation transfer equation의 angular moment system을 닫는 방법입니다.
\[\mathbb{P}_r=\mathbb{D}E_r\] \[\mathbb{D} =\frac{1-\chi}{2}\mathbb{I} +\frac{3\chi-1}{2}\mathbf{n}\otimes\mathbf{n},\qquad \mathbf{n}=\frac{\mathbf{F}_r}{|\mathbf{F}_r|}\] \[f=\frac{|\mathbf{F}_r|}{cE_r},\qquad \chi(f)=\frac{3+4f^2}{5+2\sqrt{4-3f^2}}\]필수 제약:
- $0\le f\le1$
- $f\to0 \Rightarrow \chi\to1/3$
- $f\to1 \Rightarrow \chi\to1$
$f=0$에서는 $\mathbf{n}$이 정의되지 않으므로 implementation에서 $\mathbb{D}=\mathbb{I}/3$ limit를 직접 사용합니다.
M1 한 줄 요약:
- Pros: FLD보다 angular transport를 더 잘 반영
- Cons: computational cost 증가, multi-beam crossing에서 구조적 오차 잔존
정확도는 공짜가 아닙니다. M1은 그 대가를 equation count로 냅니다.
6) FLD vs M1 quick selection table
| Metric | FLD | M1 |
|---|---|---|
| Dominant optical-depth regime | optically thick dominated | thin/thick coexistence |
| Angular fidelity | low | medium to high |
| Computational cost | low | high |
| Shadow/beam handling | limited | partially available |
| Multi-beam crossing | weak | still weak |
| Initial implementation complexity | low | high |
내 기준 workflow:
- FLD로 먼저 scale/sensitivity 확인
- angular effect가 결과를 바꾸면 M1으로 전환
- 필요하면 region-wise hybrid strategy 검토
7) Numerical implementation checklist
7.1 Common components
- Spatial discretization: conservative finite-volume method (FVM)
- MHD flux: HLL/HLLD + high-order reconstruction (MUSCL, PPM, WENO)
- $\nabla\cdot\mathbf{B}=0$: CT (Constrained Transport) or divergence cleaning
- Time integration: explicit + implicit (IMEX)
- Splitting: Strang splitting은 편하지만 splitting error는 항상 감안
7.2 FLD implementation core
FLD는 nonlinear diffusion이라 결국 large sparse linear algebra 문제로 바뀝니다.
\[\frac{E_r^{n+1}-E_r^n}{\Delta t} - \nabla\cdot\left(D(E_r^{n+1})\nabla E_r^{n+1}\right) = S(E_r^{n+1},T^{n+1})\]- Nonlinear solve: Picard or Newton-Krylov
- Linear solver: GMRES/BiCGSTAB + AMG/ILU preconditioner
- Stiff source terms: fully implicit or semi-implicit
7.3 M1 implementation core
M1은 hyperbolic system이라 Godunov-type method가 기본 선택입니다.
- reconstruction으로 face left/right state 계산
- approximate Riemann solver로 radiation flux 계산
- conservative update
- stiff coupling source term 별도 처리 (implicit or semi-implicit)
realizability correction: $E_r\ge0$, $ \mathbf{F}_r \le cE_r$ 강제
realizability correction을 빼면 계산은 빨라져도 해는 물리가 아닙니다.
7.4 Minimum verification set
코드가 돌아간다고 물리가 맞는 건 아닙니다.
- Marshak wave (diffusion verification)
- radiative shock (stiff coupling verification)
- shadow test (angular fidelity verification, FLD/M1 차이 확인)
- beam propagation + beam crossing (M1 limitation 확인)
8) 결론 (내 메모용)
FLD와 M1은 둘 다 compromise입니다. 차이는 compromise 위치입니다.
- FLD: cost 절약, angular information 손실
- M1: angular information 확보, cost/complexity 증가
정답은 방법 이름이 아니라 problem setup에서 결정됩니다.
optical-depth structure, target observable, wall-clock budget을 먼저 정하고 선택하는 편이 빠릅니다.
참고문헌
- Levermore, C. D. (1984). Relating Eddington factors to flux limiters. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 31(2), 149-160.
- Levermore, C. D., & Pomraning, G. C. (1981). A flux-limited diffusion theory. The Astrophysical Journal, 248, 321-334.
- Mihalas, D., & Mihalas, B. W. (1984). Foundations of Radiation Hydrodynamics. Oxford University Press.
- Turner, N. J., & Stone, J. M. (2001). A module for radiation hydrodynamic calculations with ZEUS-2D using flux-limited diffusion. The Astrophysical Journal Supplement Series, 135(1), 95.
- Gonzalez, M., Audit, E., & Huynh, P. (2007). HERACLES: a three-dimensional radiation hydrodynamics code. Astronomy & Astrophysics, 464(2), 429-435.