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 Исследователи из МИЭМ ВШЭ и ИПКОН РАН разработали новую математическую модель мониторинга, которая позволяет фиксировать источник опасных подземных вибраций в реальном времени. Технология поможет снизить риск повреждения зданий, дорог и другой инфраструктуры рядом с карьерами и шахтами.
На севере Австралии живет паук с весьма необычными охотничьими повадками. Он возводит «конструкцию», которая работает как древнее метательное оружие. Добыча взлетает над землей, а потом запутывается в паучьей сети. Такая тактика охоты, по-видимому, применяется лишь по отношению к конкретному виду муравьев.
До недавних пор обмеление Каспия после 1991 года списывали на глобальное потепление. Авторы новой научной работы опровергли эту гипотезу: 63 процента падения уровня приходится на некий неизвестный фактор. Причем попытки выяснить его природу вряд ли можно назвать успешными.
Паразитические организмы иногда не учитывают, что сами могут оказаться целью паразита более высокого уровня. Сосредотачивая все свои силы на инфицировании и размножении, они остаются беззащитными перед агрессивным специализированным нахлебником.
Интригующие испытания высотного ракетного двигателя Raptor Vacuum для корабля Starship, верхней ступени сверхракеты Илона Маска, парадоксальны. Его работа на уровне моря уже сама по себе загадка. Ведь, по классическим представлениям, высотные двигатели на уровне моря корректно не работают. А сопло RaptorVAC на наземном стенде извергает реактивную струю без всяких признаков нарушения работы. Как такое может быть?
В нижних и верхних слоях Урана астрономы впервые зарегистрировали угарный газ и циановодород. Новые данные указали на то, что недра планеты могут быть значительно обогащены кислородом. Это открытие поможет разрешить давнюю загадку о том, сформировался ли Уран иначе, чем его ближайший сосед Нептун, или их образование шло по схожему сценарию.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
В доколумбовых Андах принадлежность к правящему роду определяла доступ к земле, торговле и статусу, поэтому удержать все внутри семьи было вопросом выживания. Ученые выяснили, что элиты долины Чинча решали эту задачу самым прямым способом — заключая браки между родственниками на протяжении как минимум двух поколений.
Вначале Reuters опубликовал статью о взаимоотношениях SpaceX и Пентагона, которую миллиардер --- традиционно для его отношений с этим изданием — назвал фейком. Опровергая ее тезисы, он обнародовал информацию, не представленную ранее публично.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
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