Введение к работе
Актуальность темы
Развитие теории плотных газов и жидкостей позволило выявить основные черты этих состояний вещества. Однако, до сих пор нет последовательного аналитического метода получения макро- и микроскопических характеристик для плотных многочастичных систем, исходя из первых принципов. Это связано с трудностями математического характера, которые возрастают, если наряду с большой плотностью, система является сильновзаимодействующей, то есть в ней присутствует дальнодействующее кулоновское взаимодействие.
Создание новых металлических материалов с заранее заданными свойствами требует знания характеристик жидких фаз расплава (металла и шлака). Основа большинства металлургических шлаков - оксидные расплавы, относятся к неупорядоченным сильновзаимодействующим полимеризующимся системам, что существенно затрудняет их экспериментальное и теоретическое исследования. Этот разрыв успешно заполняет математическое моделирование с применением ЭВМ, в частности молекулярно-динамическое (МД) моделирование. При этом точность результатов зависит от вида математической модели и размерности (числа частиц N) модельной системы.
Традиционный учет дальнодействия по методу Эвальда (вычислительная сложность 0(Nп)) с приемлемым временем моделирования ограничивает размер системы несколькими тысячами. Распределение ресурсов позволяет снизить временные затраты на порядок, но и в рамках распределенного моделирования проблема разработки и реализации моделей, существенно минимизирующих затраты на учет дальнодействия, остается приоритетной.
Потребности новейших технологий в качестве составляющей включают использование компьютерного прогнозирования. Для его развития и широкого внедрения в практику необходимо обеспечить доступ через Интернет к программным комплексам с новейшими разработками в области компьютерного материаловедения всем заинтересованным специалистам.
Поэтому актуальной является задача разработки новых математических моделей, вычислительных методов, обеспечивающих увеличение быстродействия при МД-моделировании, и комплекса программ с возможностью удаленного доступа к ресурсам и результатам моделирования.
Цель и задачи работы
Целью работы является разработка математических моделей и создание
программного комплекса с удаленным доступом для молекулярно-
динамического моделирования конденсированных сильновзаимодеиствующих
систем большой размерности. Для достижения цели были сформулированы
следующие задачи: Г"; ——— ..—.
' **ос национальная]
КИБЛИОТеХА I
разработать математическую модель учета дальнодействия на основе быстрого мультипольного метода (БММ) для повышения быстродействия численного эксперимента;
реализовать модель расчета дальнодействия в режиме распределенных вычислений;
разработать структуру распределенной информационно-исследовательской системы (ИИС) с удаленным доступом для проведения компьютерных экспериментов;
разработать программу для интеграции базы данных экспериментов и программ для проведения вычислительных экспериментов с конденсированными системами с сильным взаимодействием;
разработать подсистему удаленного доступа, реализующую web-интерфейс пользователя;
осуществить тестирование системы, а также провести комплексное моделирование пяти составов бинарной системы FeO-SiC>2 и сравнение полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными.
Методы исследования
Поставленные в диссертационной работе задачи решаются на основе молекулярно-динамического метода, быстрого мультипольного метода, теории вероятностей и математической статистики.
Научная новизна
В работе новыми являются следующие результаты:
разработана математическая модель учета кулоновского взаимодействия для молекулярно-динамического моделирования систем большой размерности (до 105 частиц) с бесконечными периодическими условиями, имеющая вычислительную сложность O(N);
разработан алгоритм и создана программа для реализации модели в распределенном режиме, допускающая ее использование в гетерогенной сети;
спроектирована структура распределенной информационно-исследовательской системы с удаленным доступом, позволяющая проводить вычислительные эксперименты с конденсированными системами с сильным взаимодействием;
разработана программа, обеспечивающая взаимодействие между системой управления базой данных и комплексом программ, обеспечивающих моделирование конденсированных систем с сильным взаимодействием;
разработана и интегрирована в ИИС подсистема удаленного доступа для реализации компьютерного моделирования через сеть Интернет;
в рамках созданного программного комплекса проведено комплексное моделирование системы FeO-Si02, получены корреляционные зависимости
5 состав-свойство. Проведена проверка соответствия полученных результатов имеющимся экспериментальным данным. Теоретическая значимость работы
Разработанная математическая модель учета дальнодействия в конденсированных системах развивает метод молекулярной динамики и расширяет возможности его применения для моделирования систем большой размерности.
Увеличение размерности моделируемых систем до сотен тысяч частиц принципиально изменяет возможности формально-математического описания физико-химических явлений в системах с сильным взаимодействием, позволяя исследовать фундаментальную проблему взаимосвязи структура-свойство, с учетом структурных образований с размерами порядка нанометров.
Практическая значимость работы
Разработка комплекса программ для распределенного моделирования систем большой размерности существенно расширяет возможности вычислительного эксперимента в физической химии оксидных расплавов и позволяет увеличить производительность при проведении вычислительных экспериментов.
Разработка и интеграция системы удаленного доступа к ИИС предоставляет широкому кругу исследователей возможность удаленного доступа к ее вычислительным ресурсам и результатам кохмпьютерного эксперимента важнейших физико-химических свойств оксидных систем.
Рекомендации по использованию. Результаты работы могут быть использованы в таких областях как компьютерное материаловедение, физическая химия расплавов, а также в металлургии, стекольной промышленности, ядерной энергетике.
Достоверность результатов обеспечивается приводимыми оценками точности модели и проверкой соответствия результатов моделирования данным натурных экспериментов.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. модель учета дальнодействия на основе быстрого мультипольного метода
для проведения вычислительных экспериментов с системами большой
размерности (до 105 частиц), обеспечивающая возможность изучения
наноструктурных образований в конденсированных системах с сильным
взаимодействием;
программа реализованная с использованием технологии CORBA, реализующая модель учета дальнодействия в распределенном режиме;
структура распределенной информационно-исследовательской системы с удаленным доступом для моделирования конденсированных систем с сильным взаимодействием;
программа, обеспечивающая интеграцию программного комплекса для проведения экспериментов и базы данных условий и результатов экспериментов независимо от типа выбранной СУБД;
подсистема удаленного доступа к ИИС для реализации компьютерных экспериментов сторонними пользователями через сеть Интернет;
результаты моделирования бинарной системы FeO-SiC2: рассчитаны структурные характеристики ближнего порядка, параметры полимеризованности, термодинамические параметры и кинетические коэффициенты переноса.
Личный вклад соискателя. Автором лично выполнены следующие теоретические и прикладные разработки: модель дальнодействия с использованием быстрого мультипольного метода, проектирование архитектуры распределенной ИИС «Шлаковые расплавы», проектирование и реализация программы молекулярно-динамического моделирования с использованием БММ, реализация подсистемы удаленного доступа к информационной системе.
Апробация работы. Основные материалы докладывались на 6 и 7-ом Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» (Курган, 2002, 2004), International Conference on Mathematical Modeling and Simulation of Metal Technologies, MMT-2002 (Israel, 2002), IV Международной конференции «Компьютерное моделирование 2003», (С.Петербург, 2003), Российской конференции «Высокопроизводительные вычисления и технологии» (Ижевск, 2003), Всероссийской конференции «Информатика и информационные технологии-2004» (С.Петербург, РГПУ им. Герцена, 2004), XI Российская конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (Екатеринбург, 2004).
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 14 научных изданиях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы, включающего 120 наименований. Работа изложена на 145 страницах, содержит 32 рисунка и 7 таблиц.
