Использование высокопроизводительных вычислительных систем для моделирования фарлей-бунемановской неустойчивости

Авторы

  • Д.В. Ковалёв
  • А.П. Смирнов
  • А.Б. Шмелев

Ключевые слова:

ионосфера
моделирование плазмы
неустойчивость в плазме
кинетическое уравнение
высокопроизводительные вычисления

Аннотация

Фарлей-бунемановская неустойчивость плазмы наблюдается в Е-области ионосферы Земли на высотах порядка 100 км. Для описания неустойчивости используется математическая модель, включающая в себя кинетическое уравнение для ионов, зависящее от пяти независимых переменных (двух пространственных координат, двух скоростных координат и времени); гидродинамические уравнения для плотности и температуры электронов, зависящие от трех независимых переменных (двух пространственных координат и времени) и двумерное уравнение Пуассона для потенциала турбулентного электрического поля. Задача решается численно на многомерной сетке, содержащей в среднем порядка 109 точек. Создан комплекс программ для решения такой задачи на суперкомпьютерных системах. Расчеты проводились на вычислительных комплексах СКИФ МГУ «Чебышёв» и IBM Blue Gene/P факультета ВМК МГУ. Приведены результаты анализа эффективности работы и показана хорошая масштабируемость созданного комплекса программ. На вариантах расчетов с большим объемом используемых данных (порядка 100 Гб) и числом процессоров порядка 2000 получено ускорение близкое к линейному. Работа выполнена в рамках программы СКИФ-ГРИД и при поддержке государственных контрактов № П-958 от 20 августа 2009 г. и № 02.740.11.0196 по Федеральной целевой программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России», а также РФФИ (код проекта 08-01-00721).

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2010-05-19

Выпуск

Том 11 (2010): Выпуск 2.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

Д.В. Ковалёв

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
факультет вычислительной математики и кибернетики
Ленинские горы, 119992, Москва
• младший научный сотрудник

А.П. Смирнов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
факультет вычислительной математики и кибернетики
Ленинские горы, 119992, Москва
• доцент

А.Б. Шмелев

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова,
факультет вычислительной математики и кибернетики
Ленинские горы, 119992, Москва
• старший научный сотрудник

Библиографические ссылки

  1. Кацеленбаум Б. 3. Теория нерегулярных волноводов с медленно меняющимися параметрами . М.: Наука , 1961.
  2. Дерюгин Л.Н., Марчук А.Н., Сотин В.Е. Свойства плоских несимметричных диэлектрических волноводов на подложке из диэлектрика // Изв. Вузов. Радиоэлектроника . 1967. 10, № 2. 134-142 .
  3. Шевченко В.В. Плавные переходы в открытых волноводах . М.: Наука , 1969.
  4. Дерюгин Л.Н., Марчук А.Н., Сотин В.Е. Излучение с плоского диэлектрического волновода // Изв. Вузов. Радиоэлектроника . 1970. 13, № 3. 309-315 .
  5. Золотов Е.М., Киселев В.А., Сычугов В.А. Оптические явления в тонкопленочных волноводах // Успехи физ. наук. 1974. 112, № 2. 231-273 .
  6. Гончаренко А.М., Дерюгин Л.Н., Прохоров А.М., Шипуло Г.П. О развитии интегральной оптики в СССР // Журнал прикладной спектроскопии . 1978. T. ХХIХ , № 6. 987-997 .
  7. Маркузе Д. Оптические волноводы . М.: Мир , 1974.
  8. Интегральная оптика / Под ред. Т. Тамира. М.: Мир , 1978.
  9. Содха М.С., Гхатак А.К. Неоднородные оптические волноводы . М.: Связь , 1980.
  10. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы . М.: Мир , 1980.
  11. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов . М.: Радио и связь , 1987.
  12. Солимено С., Крозиньяни Б., Ди Порто П. Дифракция и волноводное распространение оптического излучения . М.: Мир , 1989.
  13. Вычислительные методы в электродинамике / Под ред. Р. Митра. М.: Мир , 1977.
  14. Ильинский А.С., Кравцов В.В., Свешников А.Г. Математические модели электродинамики . М.: Высшая школа , 1991.
  15. Tsang L., Kong J.A., Ding K.H., Ao C.O. Scattering of electromagnetic waves: numerical simulations . New York : Wiley , 2001.
  16. Богатов А.П., Бурмистров И.С. Затухание оптической волны, распространяющейся в волноводе, образованном слоями полупроводниковой гетероструктуры, из-за рассеяния на неоднородностях // Квантовая электроника . 1999. 27, № 3. 223-227 .
  17. Егоров А.А. Восстановление характеристик и определение параметров статистической нанометровой шероховатости поверхности по данным рассеяния в планарном оптическом волноводе // Изв. Вузов. Радиофизика . 2000. 43, № 12. 1090-1099 .
  18. Paulus M., Oliver J.F. M. A fully vectorial technique for scattering and propagation in three-dimensional stratified photonic structures // Optic. and QE. 2001. 67. 315-325 .
  19. Paulus M., Oliver J.F. M. Green’s tensor technique for scattering in two-dimensional stratified media // Physical Review E . 2001. 63, N 6. 066615-1-066615-8 .
  20. Егоров А.А. Векторная теория рассеяния лазерного излучения в интегрально-оптическом волноводе с трехмерными нерегулярностями при наличии шума // Квантовая электроника . 2004. 34, № 8. 744-754 .
  21. Egorov A.A. Correct investigation of the statistic irregularities of integrated optical waveguides with the use of the waveguide light scattering // Laser Physics Letters . 2004. 1, N 8. 421-428 .
  22. Егоров А.А. Теория волноводного рассеяния света в интегрально-оптическом волноводе при наличии шума // Изв. вузов. Радиофизика . 2005. 48, № 1. 63-75 .
  23. Egorov A.A. Use of waveguide light scattering for precision measurements of the statistic parameters of irregularities of integrated optical waveguide materials // Opt. Engineering . 2005. 44, N 1. 014601-1-014601-10 .
  24. Егоров А.А. Обратная задача рассеяния монохроматического света в статистически нерегулярном волноводе: теория и численное моделирование // Оптика и спектроскопия . 2007. 103, № 4. 638-645 .
  25. Egorov A.A. Influence of light scattering by 3D-irregularities on the characteristics of the integrated optical devices using for optical signal processing // Opt. Engineering . 2008. 2. 1-8 .
  26. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. Исследование компьютеризированного интегрально-оптического датчика концентрации газообразных веществ // Квантовая электроника . 2008. 38, № 8. 787-790 .
  27. Egorov A.A., Egorov M.A., Chekhlova T.K., Timakin A.G. Low-loss inexpensive integrated-optical waveguides as a sensitive gas sensor // ICO Topical Meeting on Optoinformatics/Information Photonics 2008 . 2008. September 15-18 , St. Petersburg, Russia . St. Petersburg, 2008. 208-211 .
  28. Егоров А.А., Егоров М.А., Чехлова Т.К., Тимакин А.Г. Применение интегрально-оптических датчиков для контроля опасных газообразных веществ // Датчики и системы . 2008. 1. 25-28 .
  29. Chen C.H., Pang L., Tsai C.H., Levy U., Fainman Y. Compact and integrated TM-pass waveguide polarizer // Optics Express . 2005. 13, N 14. 5347-5352 .
  30. Cardenas J., Poitras C.B., Robinson J.T., Preston K., Chen L., Lipson M. Low-loss etchless silicon photonic waveguides // Optics Express . 2009. 17, N 6. 4752-4757 .
  31. Kuttge M., Garcia de Abajo F.J., Polman A. How grooves reflect and confine surface plasmon polaritons // Optics Express . 2009. 17, N 12. 10385-10392 .
  32. Dintinger J., Olivier J.F. M. Channel and wedge plasmon modes of metallic V-grooves with finite metal thickness // Optics Express . 2009. 17, N 4. 2364-2374 .
  33. Li J., Fattal D.A., Beausoleil R.G. Crosstalk-free design for the intersection of two dielectric waveguides // Optics Express . 2009. 17, N 9. 7717-7724 .
  34. Magnin V., Zegaoui M., Harari J., Franzois M., Decoster D. Design, optimization and fabrication of an optical mode filter for integrated optics // Optics Express . 2009. 17, N 9. 7383-7391 .
  35. Егоров А.А., Ставцев А.В. Разработка и исследование комплекса программ для расчета основных характеристик интегрально-оптических волноводов в системе визуального программирования Delphi и С++ // Журнал Радиоэлектроники . 2009. 8. 1-20 .
  36. Egorov A.A., Sevastyanov L.A., Sevastyanov A.L., Stavtsev A.V. Propagation of the monochromatic electromagnetic waves in irregular waveguides. A brief introduction to an analysis in the case of smooth or statistic irregularities // Bulletin of PFUR . 2010. 1. 67-76 .
  37. Гофман В.Э., Хомоненко А.Д. Delphi. Быстрый старт . СПб.: БХВ-Петербург , 2003.
  38. Дарахвелидзе П.Г., Марков Е.П. Программирование в Delphi 7 . СПб.: БХВ-Петербург , 2003.