Суперкомпьютерное молекулярное моделирование термодинамического равновесия в микросистемах газ-металл

  • В.О. Подрыга Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0001-7874-6978
  • С.В. Поляков Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН) https://orcid.org/0000-0003-1859-9034
  • Д.В. Пузырьков Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Ключевые слова:

молекулярная динамика, параллельные вычисления, суперкомпьютерное моделирование, взаимодействие азота с никелевой поверхностью, термодинамическое равновесие

Аннотация

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.

Об авторах

В.О. Подрыга,

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• научный сотрудник

С.В. Поляков,

Институт прикладной математики имени М.В. Келдыша РАН (ИПМ РАН)
Миусская пл., 4, 125047, Москва
• заведующий сектором

Д.В. Пузырьков,

Литература

  1. Каплан И.Г. Введение в теорию межмолекулярных взаимодействий. М.: Наука, 1982.
  2. Хокни Р., Иствуд Дж. Численное моделирование методом частиц. М.: Мир, 1987.
  3. Haile J.M. Molecular dynamics simulations. Elementary methods. New-York: Wiley, 1992.
  4. Frenkel D., Smit B. Understanding molecular simulation: from algorithm to applications. San Diego: Academic Press, 2002.
  5. Allen M.P. Introduction to molecular dynamics simulation // Computational Soft Matter: From Synthetic Polymers to Proteins. Lecture Notes, NIC Series. Vol. 23. Jülich: John von Neumann Institute for Computing, 2004. 1-28.
  6. Sutmann G. Classical molecular dynamics // Quantum Simulations of Complex Many-Body Systems: From Theory to Algorithms. Lecture Notes, NIC Series. Vol. 10. Jülich: John von Neumann Institute for Computing, 2002. 211-254.
  7. Рапапорт Д.К. Искусство молекулярной динамики. М.-Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», Ижевский институт компьютерных исследований, 2012.
  8. Норман Г.Э., Стегайлов В.В. Стохастическая теория метода классической молекулярной динамики // Математическое моделирование. 2012. 24, № 6. 3-44.
  9. Winkler R.G., Morawitz H., Yoon D.Y. Novel molecular dynamics simulations at constant pressure // Mol. Phys. 1992. 75, N 3. 669-688.
  10. Schlacken H. Molecular-dynamics simulation of statistical-mechanical systems. Acta Polym. 1988. 39, N 3. 151-152.
  11. Алхимов А.П., Клинков С.В., Косарев В.Ф., Фомин В.М. Холодное газодинамическое напыление. Теория и практика. М.: Физматлит, 2010.
  12. Resnick D. Nanoimprint lithography // Nanolithography. The Art of Fabricating Nanoelectronic and Nanophotonic Devices and Systems. Cambridge: Woodhead Publishing Limited, 2014.
  13. Подрыга В.О. Моделирование процесса установления термодинамического равновесия нагретого металла // Математическое моделирование. 2011. 23, № 9. 105-119.
  14. Verlet L. Computer «experiments» on classical fluids. I. Thermodynamical properties of Lennard-Jones molecules // Phys. Rev. 1967. 159, N 5. 98-103.
  15. Lennard-Jones J.E. Cohesion // Proceedings of the Physical Society. 1931. 43, N 5. 461-482.
  16. Фокин Л.Р., Калашников А.Н. Транспортные свойства смеси разреженных газов N_2-H_2 в базе данных ЭПИДИФ // Теплофизика высоких температур. 2009. 47, № 5. 675-687.
  17. Daw M.S., Baskes M.I. Embedded-atom method: derivation and application to impurities, surfaces, and other defects in metals // Physical Review B. 1984. 29, N 12. 6443-6453.
  18. Zhou X.W., Johnson R.A., Wadley H.N.G. Misfit-energy-increasing dislocations in vapor-deposited CoFe/NiFe multilayers // Phys. Rev. B. 2004. 69, N 14. 144113-1-144113-10.
  19. Подрыга В.О., Поляков С.В. Молекулярно-динамическое моделирование процесса установления термодинамического равновесия нагретого никеля. Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша. № 41. М., 2014.
  20. Лагарьков А.Н., Сергеев В.М. Метод молекулярной динамики в статистической физике // Успехи физических наук. 1978. 125, вып. 3. 409-448.
  21. Berendsen H.J.C., Postma J.P.M., van Gunsteren W.F., et al. Molecular dynamics with coupling to an external bath // J. Chem. Phys. 1984. 81, N 8. 3684-3690.
  22. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. М.: Наука, 1971.
  23. Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. М.: Наука, 1978.
  24. Поляков С.В., Карамзин Ю.Н., Косолапов О.А., Кудряшова Т.А., Суков С.А. Гибридная суперкомпьютерная платформа и разработка приложений для решения задач механики сплошной среды сеточными методами // Известия ЮФУ. Технические науки. 2012. 6. 105-115.
  25. Воеводин В.В., Воеводин Вл.В. Параллельные вычисления. СПб: БХВ-Петербург, 2004.
  26. Официальная документация и учебные пособия по MPI (http://www.mcs.anl.gov/research/projects/mpi/).
  27. Официальная документация и учебные пособия по OpenMP (http://www.openmp.org, // http://www.llnl.gov/computing/tutorials/openMP).
  28. CUDA Toolkit Documentation (http://docs.nvidia.com/cuda/index.html).
Опубликован
2015-03-16
Как цитировать
Подрыга, В., Поляков, С., & Пузырьков, Д. (2015). Суперкомпьютерное молекулярное моделирование термодинамического равновесия в микросистемах газ-металл. Вычислительные методы и программирование, 16(43), 123-138. https://doi.org/10.26089/NumMet.v16r113
Раздел 1. Вычислительные методы и приложения