Аннотация. В работе представлены структура и отдельные компоненты облачного сервиса, предназначенного для решения многомасштабных задач нанотехнологии на суперкомпьютерных системах. Мотивацией к созданию именно облачного сервиса была необходимость интеграции идей и знаний по данной прикладной проблеме, специалистов по решению задач данного класса на суперкомпьютерных системах, различных технологий моделирования и множества пакетов прикладных программ, а также различных вычислительных ресурсов, имеющихся у ИПМ и его партнеров. Итогом работы стал прототип облачной среды, реализованный в виде сервиса Мультилогин и прикладного программного обеспечения доступного из виртуальных машин пользователей. Первым приложением сервиса стала параллельная программа Flow_and_Particles для суперкомпьютерных расчетов многомасштабных задач газовой динамики в микроканалах сложных технических систем и визуализатор результатов расчетов Flow_and_Particles_View. Ключевые слова: облачные сервисы и технологии; многомасштабные задачи газовой динамики; суперкомпьютерное моделирование.
Статья посвящена суперкомпьютерному моделированию термодинамического равновесия в микросистемах, содержащих разные вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В качестве примера нами рассмотрена система газ-металл, в которой в качестве газа используется азот, в качестве металла - никель. Такой выбор обусловлен тем, что рассматриваемая микросистема является основой многих технических приложений. В том числе, она используется в установках сверхзвукового холодного газодинамического напыления наночастиц на поверхности перспективных углеродсодержащих материалов. На первом этапе исследований представляет интерес равновесное состояние микросистемы азот-никель. Для моделирования процесса установления термодинамического равновесия в такой системе применен молекулярно-динамический подход. Выбранный численный алгоритм его реализации базируется на конечно-разностной схеме Верле. Для ускорения вычислений предложен параллельный алгоритм и выполнена его реализация в рамках технологий MPI и OpenMP. С помощью разработанной программы исследован процесс установления термодинамического равновесия как в чистых компонентах (азоте и никеле) при нескольких значениях температуры, включая комнатную, так и в системе азот-никель. В численных экспериментах определены как оптимальные параметры методики расчета, в том числе эффективность распараллеливания при использовании процессоров с различной архитектурой, так и физические параметры моделируемого процесса. This paper is devoted to the supercomputer modeling of thermodynamic equilibrium in microsystems containing different substances in various aggregate states. As an example, a nitrogen-nickel system is considered. This choice is due to the fact that such a microsystem is the basis of many technical applications, including the devices of supersonic cold gas-dynamic sputtering using nanoparticles on the surfaces of perspective carbonaceous materials. At the first stage of studies, the equilibrium state of a nitrogen-nickel microsystems is of interest. The molecular dynamic approach is used to model the thermodynamic equilibrium in this microsystem. The chosen numerical algorithm of its implementation is based on the Verlet finite-difference scheme. In order to increase the computational speedup, a parallel algorithm is proposed; its implementation is performed using the MPI and OpenMP technologies. The developed parallel solver is employed to study the establishment of thermodynamic equilibrium in the pure components (nitrogen and nickel) at several temperatures, including room temperature, and in the nitrogen-nickel microsystem. In the numerical experiments, the optimum parameters of the calculation procedure (including the efficiency of parallelization using processors of different architecture) and the physical parameters of the modeled process are found.
Статья посвящена параллельной реализации многомасштабного подхода для расчета течений газов в микроканалах сложных технических систем. Многомасштабный подход сочетает решения уравнений квазигазодинамики (КГД) и молекулярной динамики (МД). Представлена параллельная реализация подхода, основанная на методах расщепления по физическим процессам и разделения областей. Реализация ориентирована на использование вычислительных систем с центральной и гибридной архитектурами. Разработанные параллельные алгоритмы обладают хорошей масштабируемостью. Полученные результаты подтвердили эффективность разработанного подхода. С его помощью методами МД были получены основные коэффициентные зависимости для КГД-системы, произведен расчет трехмерного течения. This paper is devoted to a parallel implementation of multiscale approach to the numerical study of gas flows in microchannels of complex technical systems. The multiscale approach combines the solutions of quasigasdynamic (QGD) equations and molecular dynamics (MD) equations. The proposed parallel implementation of this approach is based on the method of splitting into physical processes and the domain decomposition method. The implementation is oriented for using computer systems with central and hybrid architectures. The developed parallel algorithms show a good scalability. The obtained results confirm the efficiency of the approach under consideration. This approach was used to find the basic coefficient dependences for the QGD system by MD methods and to study a three-dimensional gas flow numerically.
Рассматривается проблема моделирования свойств двухатомных газов методами молекулярной динамики. Подобные исследования являются традиционными для физики вещества. В настоящее время наблюдается повышенный интерес к данной проблеме в связи с развитием нанотехнологий и их внедрением в различные отрасли промышленности. В предлагаемой работе рассмотрен вопрос об уточнении исходной классической модели динамики Ньютона. В частности, обсуждается методика учета дополнительных степеней свободы, характеризующих вращательные движения двухатомных молекул. Это связано с необходимостью корректного вычисления теплоемкости. Для решения данной задачи предложено добавить в модель молекулярной динамики уравнения для моментов импульса и вращательных скоростей молекул. Для такой расширенной постановки разработан специальный численный алгоритм, обобщающий схему Верле. На основе предложенного алгоритма разработана расчетная программа. С ее помощью вычислена кривая теплоемкости для азота в диапазоне температур 100-400 К при давлении 1 атм. Полученные расчетные данные согласуются с известными данными из справочников.
scite is a Brooklyn-based organization that helps researchers better discover and understand research articles through Smart Citations–citations that display the context of the citation and describe whether the article provides supporting or contrasting evidence. scite is used by students and researchers from around the world and is funded in part by the National Science Foundation and the National Institute on Drug Abuse of the National Institutes of Health.
hi@scite.ai
10624 S. Eastern Ave., Ste. A-614
Henderson, NV 89052, USA
Copyright © 2024 scite LLC. All rights reserved.
Made with 💙 for researchers
Part of the Research Solutions Family.