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 Ученые из МФТИ и МГУ провели важное исследование фундаментальных законов природы, значительно расширив возможности одного из самых перспективных инструментов для исследования М-теории — гипотетической «теории всего». Они обобщили математический метод, известный как три-векторные деформации, на полные, без каких-либо упрощений, уравнения 11-мерной супергравитации в рамках исключительной теории поля. Результатом стали явные «рецепты» того, как можно систематически изменять (или «деформировать») геометрию и поля любого известного 11-мерного пространства-времени, чтобы получить новые, ранее неизвестные решения, подчиняющиеся тем же элегантным алгебраическим условиям, что и в более простых случаях.
Одна из фундаментальных проблем при создании эффективных моделей машинного обучения — определение необходимого и достаточного количества данных для их обучения. Слишком мало данных — модель будет неточной, слишком много — неоправданные затраты времени и ресурсов на сбор и обработку информации. Ученые из МФТИ предложили два новых метода для решения этой задачи, основанных на анализе функции правдоподобия с использованием техники бутстрэпа.
Споры вокруг выделения антропоцена в самостоятельную геологическую эпоху не утихли после официального отказа Международного союза геологических наук, наоборот, разожглись сильнее. Шведские геологи, придерживаясь логики союза, решили оценить легитимность других периодов кайнозойской эры и выяснили, что доказательства в пользу голоцена слабее, чем у антропоцена. Если идти дальше, то и половину ступеней кайнозоя можно откинуть.
Мохаммад Х. Аттаран (Mohammad H. Attaran) — концепт-дизайнер и цифровой художник, работающий в Великобритании. В своих проектах он сочетает эстетику научной фантастики с элементами, вдохновлёнными природой, особенно анатомией насекомых. Его машины, мехи и транспортные средства выглядят одновременно инопланетно и инженерно достоверно. Ну или почти.
Исследуя генетическое происхождение мужского населения Нидерландов, ученые заметили географические особенности распределения гаплогрупп. Теперь, чтобы их объяснить, проанализировали Y-хромосомы сотен человек, начиная с раннего Средневековья, в сравнении с геномами современного населения страны. Авторы рассчитывали обнаружить непрерывность популяций, однако столкнулись с неожиданными сложностями.
Когда пальцы долго находятся в воде, кожа на них начинает морщиться. Из-за чего и по какому принципу это происходит, долгое время известно не было. Однако специалисты по биомедицине из США нашли ответы на оба вопроса.
Да, с волосами и люком все так. У космонавта Суниты Уильямс волосы на МКС плавали свободно, а у Кэти Пэрри и прочих в полете 14 апреля 2025 года — нет. Но это не значит, что суборбитального космического полета первого чисто женского экипажа не было или что он был инсценировкой. Причем, в общем-то, чтобы понять это, даже не нужно обладать специальными знаниями.
Многие знают, как популярны сувениры из окаменелостей — зубы древних акул или полированные панцири аммонитов. Но чем реже встречаются такие артефакты, тем они ценнее, то есть на них можно много заработать. И это проблема для палеонтологов. Американский специалист по тираннозаврам оценил ущерб, который нанесла коммерческая добыча костей T. rex и подсчитал среднюю цену таких образцов. Оказалось, больше половины найденных тирексов находится в частных руках, а значит, для науки они недоступны или ненадежны.
Мощнейшее отключение электроэнергии за последние 20 лет истории Европы случилось уже неделю назад, а испанские власти пока так и не объявили о его причинах. Это логично: как мы покажем ниже, ответ на вопрос, кто виноват, получится очень неполиткорректным. И, более того, противоречащим линии правящей в Испании партии. Но мы живем за тысячи километров от нее, поэтому можем себе позволить аполитичный анализ случившегося. Так что же произошло на самом деле и каковы наши шансы увидеть подобное у себя дома?
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
Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно