Моделирование динамики молекулярных реакций на высокопроизводительных многопроцессорных кластерах

• Автор: Погосбекян, Михаил Юрьевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2005
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 122 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Обзор литературы

2 Реализация метода классических траекторий в вычислительном комплексе

2.1 Физическая постановка задачи.

2.2 Математическая модель

2.3 Библиотека математических моделей для описания поверхности потенциальной энергии

2.4 Реализация численных методов и алгоритмов в вычислительном комплексе

Выводы.
3 Вычислительные эксперименты по исследованию обменных химических реакций в системе частиц 0

3.1 ППЭ для исследуемых реакций. Вычислительные аспекты траекторных расчетов.

3.2 Уровневые константы скорости
3.3 Однотемпературные и двухтемпературные константы скорости
3.4 Влияние термическинеравновссных условий на скорость протекания реакций.
Выводы
4 Верификация теоретических моделей обменных химических реакций на базе результатов траекторных расчетов
4.1 Двухтемпературные модели обменных химических реакций .
4.2 Уровневые модели обменных химических реакций.
4.3 Сравнение теоретических моделей с траекторными расчетами по уровневому фактору.
4.4 Сравнение теоретических моделей с траекторными расчетами по фактору неравновесности .
4.5 Определение параметров теоретических моделей на основе результатов траекторных расчетов
Выводы
Заключение
Благодарности
Список литературы


Проведен комплекс вычислительных экспериментов по исследованию обменных реакций И2 + О —> І^О+И, СО+Ы —> СИ-і-О, СО + К* —> СИ+О (И* - электронно возбужденный атом), играющих ключевую роль в процессах, протекающих за фронтом сильных ударных волн в атмосферах Земли и Марса. В результате проведенных расчетов определено влияние различных степеней свободы (поступательной, колебательной, вращательной) на скорость протекания химических реакций. Показано, что в условиях за фронтом сильных ударных волн двухтемпературная константа скорости может существенно отличаться от однотемпературной (на несколько порядков). Впервые показано, что для обменных реакций фактор неравновесности может иметь существенно немонотонный характер зависимости от температуры. При высоких поступательных температурах (Т > 0 К) фактор выходит на стационарное значение, не зависящее от колебательной температуры Ть. Разработана методика верификации теоретических моделей физикохимических процессов на основе результатов траекторных расчетов. Проведена верификация пяти наиболее популярных моделей для обменных химических реакций, таких как модель Парка, »-модель, обобщенная модель Мэрроуна-Тринора (СУСУ), модель Мачерета и теоретикоинформационное приближение. Показано, что для адекватного описания свойств химических реакций в этих моделях должна быть введена температурная зависимость для ключевых параметров. Предложена конкретная зависимость параметров 5 модели Парка и /„ модели Мачерета для конкретных реакций на выделенных диапазонах значений поступательной и колебательной температуры. Практическая ценность работы заключается в следующем: Созданный вычислительный комплекс “МО Т^есіогу” для моделирования динамики молекулярных реакций на высокопроизводительных многопроцессорных кластерах может быть использован как для проведения научных исследований, так и в учебном процессе университетов. Данные результаты могут быть использованы для описания физико-химических процессов в термически неравновесных условиях, характерных для входа космических аппаратов в плотные слои атмосферы Земли и Марса за фронтом сильных ударных волн, при сверхзвуковом обтекании тел, течениях в соплах и струях. Примеры значительного влияния термической неравновссности на тепловые потоки приводятся в [2]. На основе полученных результатов с использованием разработанной методики проведена верификация теоретических моделей, которые используются при моделировании химической кинетики в прикладных задачах газовой динамики. Memorial II. Семинар “Физическая и химическая кинетика в газовой динамике” под руководством С. А.Лосева и А. XIV European Conference on Dynamics of Molecular Collisions, MOLEC , Istanbul, TYirkey, Aug. Sept. X International Conference on Combustion. По результатам диссертации опубликовано печатных работ. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации - 0 страниц, включая рисунка. Список литературы содержит наименований. Во введении обосновывается актуальность выбранной темы. Показано, что в отсутствие каких-либо экспериментальных данных о константах скорости химических реакций в неравновесных условиях имеется эффективный метод, основанный на численном моделировании динамики молекулярных реакций, который позволяет восполнить отсутствующую информацию. Отмечена необходимость создания эффективных алгоритмов и программных комплексов, использующих потенциал современных высокопроизводительных многопроцессорных кластеров. Формулируются основные цели и содержание поставленных задач. Отмечена научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Кратко сформулирована структура и содержание диссертационной работы. Первая глава содержит литературный обзор, подробно отражающий как историю вопроса, так и самые последние публикации, посвященные исследованию элементарных химических реакций методом классических траекторий. В обзоре представлены работы, затрагивающие проблемы проектирования эффективных численных алгоритмов для различных суперкомпыотерных архитектур. Отмечено, что несмотря на огромный прогресс в вычислительной технике, многие авторы используют подходы, ориентированные на однопроцессорные системы, при решении “ресурсоемких” задач динамики молекулярных реакций.