Русские ученые разработали суперкомпьютерный прием моделирования воды на атомных масштабах, позволяющий обрисовывать появление турбулентных режимов течения. Исследователи высчитали на суперкомпьютерах HARISMa и «Десмос» течение воды, состоящей из нескольких сотен миллионов атомов. Прием уже применяется для моделирования течения жидкометаллического свинцового теплоносителя в атомном реакторе. Работа размещена в The International Journal of Высокий Performance Computing Applications, рассказывает пресс-служба НИУ ВШЭ.
© InScience
В компьютерном моделировании жидкость обычно обрисовывают как сплошную среду, лишенную дискретности, а ее течение определяют при помощи численного решения дифференциальных уравнений Навье — Стокса. Такие модели именуются континуальными, и в их не описывается поведение отдельных атомов и молекул воды. В прикладных задачках ученых очень нередко интересует не спокойное — ламинарное, а турбулентное течение, когда потоки воды образуют вихри различного размера, меняющиеся во времени и пространстве стохастически. В 1940-е годы времен СССР учёный учёный Андрей Николаевич Колмогоров сделал теорию эволюции вихрей в турбулентных потоках, показав, что огромные вихри измельчаются в мелкие прямо до 10-ов и сотен нанометров. При таких размерах (на колмогоровском масштабе длины) континуальные способы не работают, и надо моделировать поведение отдельных атомов и молекул, численно решая их уравнения движения. Переход к схожему дискретному описанию может быть критически полезен для неких особых случаев. К примеру, так можно учить диффузию и образование кластеров частиц в турбулентном потоке. Естественно, эти процессы можно разглядывать в континуальном приближении, но правильность применяемых допущений можно проверить только при помощи атомистического моделирования.
Для исследования зарождения турбулентности ученые из НИУ ВШЭ и МФТИ разработали концепцию, позволяющую вести наблюдение резвое течение воды, огибающей препятствия, на микрометровых масштабах. Ученые выдумали метод, как сдержать поток воды в ограниченных размерах, потом реализовали его в 2-ух программках для молекулярного моделирования. Также исследователи проанализировали эффективность суперкомпьютеров, на которых проводились расчеты, и пути ее оптимизации.
«Мы получили естественный поток воды с завихрениями, которые появляются сами собой в итоге обтекания препятствия на масштабах в сотки миллионов атомов, чего до нас еще не делали. Цель нашего нового способа — получать данные для особенных случаев, таких как диффузия, течение около стен, чтоб на физическом уровне верно сопрягать ядерный и континуальный размер в тех областях моделирования, где эта смычка является критически принципиальной», — сказал Владимир Стегайлов, ведущий научный работник Интернациональной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных способов в физике конденсированного состояния МФТИ.
Моделируемая система представляла собой тонкий квазидвумерный параллелепипед, снутри которого находилось цилиндрическое препятствие и от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов атомов воды. К термическим скоростям атомов добавлялась данная скорость потока, и если она была довольно немаленький, то после огибания цилиндра стихийно формировались турбулентные вихри. Так ученые смогли в естественных критериях промоделировать появление предтурбулентного режима течения, не накладывая на движение воды других особых критерий.
Трудность моделирования состояла в том, что частички в процессе движения должны покидать пределы параллелепипеда. Обычно в атомистическом моделировании используют повторяющиеся граничные условия, когда атомы, гипотетически покинувшие систему справа, на последующем шаге расчетов искусственно ворачиваются в систему слева с той же скоростью и направлением движения. Так, система остается замкнутой. Данный прием более вычислительно обычной. В задачке с вихрями физикам пришлось придумать такие повторяющиеся условия, чтоб при переходе границы системы течение переставало быть турбулентным, по другому после возвращения атомов в параллелепипед налетающая на препятствие жидкость уже была бы турбулентной, что нарушило бы постановку задачки. Ученые предложили расположить около правой границы системы виртуальные плоскости, после скрещения которых скорость частиц перерассчитывалась, течение становилось обычным (ламинарным), следовательно, возвращение атомов не нарушало условие ламинарности натекающего потока.
После теоретического обоснования предложенных граничных критерий ученые ввели их в обширно применяемые программки для молекулярного моделирования LAMMPS и OpenMM и высчитали течение воды на суперкомпьютерах с графическими ускорителями. Отдельное внимание ученые уделили сохранению наибольшей производительности вычислений, так как в системах из миллионов атомов, для которых рассчитывается несколько миллионов временных шагов, миллисекундное ускорение на одном вычислительном шаге приводит к экономии нескольких дней и даже недель работы суперкомпьютера.
«На данный момент больше развиваются инструменты для глубочайшего анализа производительности, к примеру инструмент анализа параллельных программ Score-P, который мы использовали в данной работе. Очень значимо разработать эталоны работы с такими инструментами, чтоб разработчики программ для суперкомпьютеров, внося конфигурации в действующий шифр либо написав что-то свежее, могли провести разбор в согласовании с ними и оценить, как действенным будет их дополнение на разных архитектурах суперкомпьютеров, включая те, к которым они не имеют доступа», — отметил Владислав Галигеров, один из создателей статьи, студент магистратуры МИЭМ НИУ ВШЭ.
