DOI: https://doi.org/10.26089/NumMet.v16r113

Суперкомпьютерное молекулярное моделирование термодинамического равновесия в микросистемах газ-металл

Авторы

  • В.О. Подрыга
  • С.В. Поляков
  • Д.В. Пузырьков

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.

Новые вычислительные технологии

Загрузки

Опубликован

2015-03-16

Выпуск

Том 16 (2015): Выпуск 1.

Раздел

Раздел 1. Вычислительные методы и приложения

Авторы

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

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

Библиографические ссылки

  1. I. G. Kaplan, Theory of Molecular Interactions (Nauka, Moscow, 1982; Amsterdam, Elsevier, 1986).
  2. R. W. Hockney and J. W. Eastwood, Computer Simulation Using Particles (McGraw-Hill, New York, 1981; Mir, Moscow, 1987).
  3. J. M. Haile, Molecular Dynamics Simulations. Elementary Methods (Wiley, New-York, 1992).
  4. D. Frenkel and B. Smit, Understanding Molecular Simulation: From Algorithm to Applications (Academic, San Diego, 2002).
  5. M. P. Allen, “Introduction to Molecular Dynamics Simulation,” in Computational Soft Matter: From Synthetic Polymers to Proteins, Lecture Notes, NIC Series (John von Neumann Inst. for Computing, Jülich, 2004), Vol. 23, pp. 1-28.
  6. G. Sutmann, “Classical Molecular Dynamics,” in Quantum Simulations of Complex Many-Body Systems: From Theory to Algorithms, Lecture Notes, NIC Series (John von Neumann Inst. for Computing, Jülich, 2002), Vol. 10, pp. 211-254.
  7. D. C. Rapaport, The Art of Molecular Dynamics Simulation (Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2004; Inst. Komp’yut. Issled., Izhevsk, 2012).
  8. G. E. Norman and V. V. Stegailov, “Stochastic Theory of the Classical Molecular Dynamics Method,” Mat. Model. 24 (6), 3-44 (2012) [Math. Models Comput. Simul. 5 (4), 305-333 (2013)].
  9. R. G. Winkler, H. Morawitz, and D. Y. Yoon, “Novel Molecular Dynamics Simulations at Constant Pressure,” Mol. Phys. 75 (3), 669-688 (1992).
  10. H. Schlacken, “Molecular-Dynamics Simulation of Statistical-Mechanical Systems,” Acta Polym. 39 (3), 151-152 (1988).
  11. A. P. Alkhimov, S. V. Klinkov, V. F. Kosarev, and V. M. Fomin, Cold Gas Dynamic Spraying: Theory and Practice (Fizmatlit, Moscow, 2010; Cambridge Int. Sci. Pub., Cambridge, 2011).
  12. D. Resnick, “Nanoimprint Lithography,” in Nanolithography. The Art of Fabricating Nanoelectronic and Nanophotonic Devices and Systems (Woodhead Publ., Cambridge, 2014), pp. 315-347.
  13. V. O. Podryga, “Molecular Dynamics Method for Heated Metal’s Simulation of Thermodynamic Equilibrium,” Mat. Model. 23 (9), 105-119 (2011).
  14. L. Verlet, “Computer, “Experiments’’ on Classical Fluids. I. Thermodynamical Properties of Lennard-Jones Molecules,” Phys. Rev. 159 (5), 98-103 (1967).
  15. J. E. Lennard-Jones, “Cohesion,” Proc. Phys. Soc. 43 (5), 461-482 (1931).
  16. L. R. Fokin and A. N. Kalashnikov, “The Transport Properties of an N_2-H_2 Mixture of Rarefied Gases in the EPIDIF Database,” Teplofiz. Vys. Temp. 47 (5), 675-687 (2009) [High Temp. 47 (5), 643-655 (2009)].
  17. M. S. Daw and M. I. Baskes, “Embedded-Atom Method: Derivation and Application to Impurities, Surfaces, and Other Defects in Metals,” Phys. Rev. B 29 (12), 6443-6453 (1984).
  18. X. W. Zhou, R. A. Johnson, and H. N. G. Wadley, “Misfit-Energy-Increasing Dislocations in Vapor-Deposited CoFe/NiFe Multilayers,” Phys. Rev. B 69 (14), 144113-1-144113-10 (2004).
  19. V. O. Podryga and S. V. Polyakov, Molecular Dynamic Simulation of Thermodynamic Equilibrium Problem for Heated Nickel , Preprint No. 41 (Keldysh Inst. Appl. Math., Moscow, 2014).
  20. A. N. Lagarkov and V. M. Sergeev, “Molecular Dynamics Method in Statistical Physics,” Usp. Fiz. Nauk 125 (3), 409-448 (1978) [Sov. Phys. Usp. 21 (7), 566-588 (1978)].
  21. H. J. C. Berendsen, J. P. M. Postma, W. F. van Gunsteren, et al., “Molecular Dynamics with Coupling to an External Bath,” J. Chem. Phys. 81 (8), 3684-3690 (1984).
  22. A. I. Kitaigorodsky, Molecular Crystals and Molecules (Nauka, Moscow, 1971; Academic, New York, 1973).
  23. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley, New York, 1976; Nauka, Moscow, 1978).
  24. S. V. Polyakov, Yu. N. Karamzin, O. A. Kosolapov, et al., “Hybrid Supercomputer Platform and Application Programming for the Solution of Continuous Mechanics Problems by Grid Methods,” Izv. Southern Federal Univ., Tekh. Nauki, No. 6, 105-115 (2012).
  25. V. V. Voevodin and Vl. V. Voevodin, Parallel Computing (BHV-Petersburg, St. Petersburg, 2002) [in Russian].
  26. The Message Passing Interface (MPI) standard.
    http://www.mcs.anl.gov/research/projects/mpi . Cited February 5, 2015.
  27. The OpenMP API specification for parallel programming. Tutorials.
    http://www.openmp.org,
    http://www.llnl.gov/computing/tutorials/openMP . Cited February 5, 2015.
  28. CUDA Toolkit Documentation.
    http://docs.nvidia.com/cuda/index.html . Cited February 5, 2015.