Уведомления
Авторизуйтесь или зарегистрируйтесь, чтобы оценивать материалы, создавать записи и писать комментарии.
Авторизуясь, вы соглашаетесь с правилами пользования сайтом и даете согласие на обработку персональных данных.
Возникновение турбулентности смоделировали на уровне атомов
Ученые из НИУ ВШЭ и МФТИ разработали суперкомпьютерный метод моделирования жидкости на атомных масштабах, позволяющий описывать возникновение турбулентных режимов течения. Исследователи рассчитали на суперкомпьютерах HARISMa и «Десмос» течение жидкости, состоящей из нескольких сотен миллионов атомов. Метод уже применяется для моделирования течения жидкометаллического свинцового теплоносителя в ядерном реакторе.
Работа опубликована в The International Journal of High Performance Computing Applications. В компьютерном моделировании жидкость обычно описывают как сплошную среду, лишенную дискретности, а ее течение определяют с помощью численного решения дифференциальных уравнений Навье — Стокса. Такие модели называются континуальными, и в них не описывается поведение отдельных атомов и молекул жидкости. В прикладных задачах ученых очень часто интересует не спокойное — ламинарное, а турбулентное течение, когда потоки жидкости образуют вихри разного размера, меняющиеся во времени и пространстве стохастически.
В 1940-е годы советский математик академик Андрей Николаевич Колмогоров создал теорию эволюции вихрей в турбулентных потоках, показав, что большие вихри измельчаются в маленькие вплоть до десятков и сотен нанометров. При таких размерах (на колмогоровском масштабе длины) континуальные методы не работают, и нужно моделировать поведение отдельных атомов и молекул, численно решая их уравнения движения. Переход к подобному дискретному описанию может быть критически полезен для некоторых специальных случаев. Например, так можно изучать диффузию и образование кластеров частиц в турбулентном потоке. Конечно, эти процессы можно рассматривать в континуальном приближении, однако корректность используемых допущений можно проверить только с помощью атомистического моделирования.
Для изучения зарождения турбулентности ученые из НИУ ВШЭ и МФТИ разработали концепцию, позволяющую наблюдать быстрое течение жидкости, огибающей препятствия, на микрометровых масштабах. Ученые придумали способ, как удержать поток жидкости в ограниченных размерах, затем реализовали его в двух программах для молекулярного моделирования. Также исследователи проанализировали производительность суперкомпьютеров, на которых проводились расчеты, и пути ее оптимизации.
«Мы получили естественный поток жидкости с завихрениями, которые возникают сами собой в результате обтекания препятствия на масштабах в сотни миллионов атомов, чего до нас еще не делали. Цель нашего нового метода — получать данные для особых случаев, таких как диффузия, течение возле стенок, чтобы физически правильно сопрягать атомный и континуальный масштаб в тех областях моделирования, где эта смычка является критически важной», — комментирует руководитель научной группы, ведущий научный сотрудник Международной лаборатории суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ, заведующий лабораторией суперкомпьютерных методов в физике конденсированного состояния МФТИ Владимир Стегайлов.
Моделируемая система представляла собой плоский квазидвумерный параллелепипед, внутри которого находилось цилиндрическое препятствие и от нескольких миллионов до нескольких сотен миллионов атомов жидкости. К тепловым скоростям атомов добавлялась заданная скорость потока, и если она была достаточно большой, то после огибания цилиндра спонтанно формировались турбулентные вихри. Так ученые смогли в естественных условиях промоделировать возникновение предтурбулентного режима течения, не накладывая на движение жидкости иных специальных условий.
Сложность моделирования состояла в том, что частицы в процессе движения должны покидать пределы параллелепипеда. Обычно в атомистическом моделировании применяют периодические граничные условия, когда атомы, условно покинувшие систему справа, на следующем шаге расчетов искусственно возвращаются в систему слева с той же скоростью и направлением движения. Таким образом, система остается замкнутой.
Этот метод наиболее вычислительно простой. В задаче с вихрями физикам пришлось придумать такие периодические условия, чтобы при переходе границы системы течение переставало быть турбулентным, иначе после возвращения атомов в параллелепипед налетающая на препятствие жидкость уже была бы турбулентной, что нарушило бы постановку задачи. Ученые предложили расположить возле правой границы системы виртуальные плоскости, после пересечения которых скорость частиц перерассчитывалась, течение становилось нормальным (ламинарным), а значит, возвращение атомов не нарушало условие ламинарности натекающего потока.
После теоретического обоснования предложенных граничных условий ученые внедрили их в широко используемые программы для молекулярного моделирования LAMMPS и OpenMM и рассчитали течение жидкости на суперкомпьютерах с графическими ускорителями. Отдельное внимание ученые уделили сохранению максимальной производительности вычислений, поскольку 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.
Студент магистратуры МИЭМ НИУ ВШЭ Владислав Галигеров, один из двух главных авторов статьи, добавляет: «Сейчас все больше развиваются инструменты для глубокого анализа производительности, например инструмент анализа параллельных программ Score-P, который мы использовали в данной работе. Очень важно выработать стандарты работы с такими инструментами, чтобы разработчики программ для суперкомпьютеров, внося изменения в существующий код или написав что-то новое, могли провести анализ в соответствии с ними и оценить, насколько эффективным будет их приложение на различных архитектурах суперкомпьютеров, включая те, к которым они не имеют доступа». Для анализа в работе использовали суперкомпьютер «Десмос» Объединенного института высоких температур РАН и суперкомпьютер HARISMa НИУ ВШЭ.
Telegram 
Дзен 
VK Японские биологи повторили античную технологию производства вина из изюма, чтобы выяснить механизм его брожения. Исследователи показали, что сушеный виноград, в отличие от свежего, накапливает на поверхности дикие дрожжи и способен превращать воду в алкоголь без внесения дополнительных заквасок.
Долгое время ученые полагали, что сотни гигантских статуй на острове Пасхи создали представители местной общины под руководством одного вождя. Однако авторы нового исследования поставили эту гипотезу под сомнение. Детальная трехмерная карта главного каменного карьера острова указала на более сложную картину. Вероятно, монументы были плодом творчества и соперничества небольших независимых групп.
Что стало настоящим фундаментом власти — умение обрабатывать землю или контроль над некоторыми культурными растениями? Авторы нового исследования пришли к выводу, что появление первых крупных сообществ и государств зависело не от земледелия в целом, а от выращивания определенных злаков. Эти культуры было легко хранить и, еще важнее, невероятно просто облагать налогом, что и дало толчок появлению цивилизации.
Японские биологи повторили античную технологию производства вина из изюма, чтобы выяснить механизм его брожения. Исследователи показали, что сушеный виноград, в отличие от свежего, накапливает на поверхности дикие дрожжи и способен превращать воду в алкоголь без внесения дополнительных заквасок.
Долгое время ученые полагали, что сотни гигантских статуй на острове Пасхи создали представители местной общины под руководством одного вождя. Однако авторы нового исследования поставили эту гипотезу под сомнение. Детальная трехмерная карта главного каменного карьера острова указала на более сложную картину. Вероятно, монументы были плодом творчества и соперничества небольших независимых групп.
Коллектив российских ученых из МИРЭА — Российского технологического университета, Центра фотоники двумерных материалов МФТИ, Института металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН и ряда других ведущих научных центров провел глубокое исследование кристаллической структуры широко используемых пьезоэлектрических материалов на основе цирконата-титаната свинца. Используя метод рентгеноструктурного анализа, исследователи впервые смогли в деталях установить, как небольшие химические добавки кардинально меняют фазовый состав керамики и напрямую определяют ее электрофизические характеристики. Это открывает путь к целенаправленному дизайну «умных» материалов с заранее заданными свойствами для передовой электроники и сенсорики.
Человеческие языки разнообразны, но это разнообразие ограничивается повторяющимися закономерностями. Пытаясь описать правила, которым подчиняются различия в грамматике, лингвисты сформулировали ряд так называемых грамматических универсалий — утверждений, предположительно верных для всех или большинства языков мира. Международная команда ученых провела статистический анализ на материале 2430 языков и обнаружила, что соответствующими действительности можно считать около трети таких утверждений.
По расчетам, большинство «гостей» из других звездных систем летят к Земле примерно со стороны созвездия Геркулес. Скорее всего, они время от времени падают на нашу планету, просто мы еще не научились это замечать. Как удалось вычислить, чаще всего они должны падать зимой и где-то в окрестностях экватора.
Ученые открыли новый, ранее неизвестный способ передвижения бактерий по поверхностям, для которого не нужны жгутики. Эти микроорганизмы на краю колонии переваривают сахара, выделяют метаболиты и создают осмотическое давление. Оно вызывает микроскопическое «цунами», и на нем бактерии катятся вперед.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно