Молекулярно-динамическое моделирование конденсированных систем с сильным взаимодействием в программном комплексе с удаленным доступом

• Автор: Рыжов, Николай Анатольевич
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Курган
• Количество страниц: 147 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

1. ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ МНОГОЧАСТИЧНЫХ СИСТЕМ.

1.1. Роль вычислительного эксперимента

1.2. Методы моделирования.

1.2.1. Квантовая молекулярная динамика

1.2.2. Квантовохимические методы моделирования.

1.2.3. Метод МонтеКарло

1.2.4. Метод молекулярной динамики

1.3. Методы расчета дальнодействующих взаимодействий

1.3.1. Расчет с использованием метода суммирования по Эвальду

1.3.2. Фурьебазированные методы суммирования.
1.3.3. Быстрый мультипольный метод
1.4. Технологии разработки исследовательских программных
комплексов
1.4.1. Требования к информационноисследовательским системам
1.4.2. Локальные пакеты программ
1.4.3. Архитектура клиентсервер.
1.4.4. Многозвенная архитектура.
1.4.5. Распределенная одноранговая архитектура
1.4.6. Промежуточное программное обеспечение i.
1.5. Обзор существующих программных системаналогов.
1.6. Выводы.
2. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СИСТЕМ С СИЛЬНЫМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕМ.
2.1. Комплексная модель ионного расплава
2.2. Модель частиц для молекулярнодинамического моделирования
2.3. Модели потенциалов межчастичного взаимодействия
2.4. Модель близкодействующего взаимодействия.
2.5. Модель дальнодействующего взаимодействия
2.5.1. Использование мультипольного разложения.
2.5.2. Интерполяция поля.
2.5.3. Декомпозиция модельного куба
2.5.4. Алгоритм расчета
2.5.5. Трансляция мультипольного разложения
2.5.6. Трансляция интерполированного поля
2.5.7. Конечное приближение бесконечных периодических условий .
2.5.8. Точность расчетов.
2.5.9. Вычислительная сложность алгоритма
2.6. Выводы
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА С УДАЛЕННЫМ ДОСТУПОМ
3.1. Структура информационноисследовательской системы.
3.1.1. Общая архитектура ИИС подсистемы, модули, потоки данных.
3.1.2. Вычислительные приложения.
3.1.3. Использование языка X для интеграции модулей
3.2. Реализация модели учета дальнодействия
3.2.1. Класс М3 Алгоритм вычисления взаимодействия.
3.2.2. Класс М3 Решетка
3.2.3. Класс М3 Слой.
3.2.4. Класс М3 Ячейка.
3.2.5. Класс М3 Мультипольное разложение.
3.2.6. Класс М3 Поле.
3.2.7. Класс Решетка частиц
3.2.8. Класс Ячейка частиц.
3.3. Распределенная реализация алгоритма.
3.3.1. Класс МЗР Ячейка
3.3.2. Класс МЗР Вычислитель и интерфейс ИМЗР Вычислитель .
3.3.3. Класс МЗР Алгоритм вычисления взаимодействия и интерфейс ИМЗР Алгоритм вычисления взаимодействия.
3.3.4. Организация вычислений.
3.3.5. Балансировка нагрузки и отказоустойчивость.
3.4. Используемый инструментарий и методы оптимизации.
3.5. Реализация удаленного доступа к ИИС
3.5.1. Ввод данных пользователем
3.5.2. Библиотека отображения графиков.
3.6. Выводы
4. РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ.
4.1. Оценка производительности вычислительного эксперимента с
использованием БММ.
4.2. Сравнение результатов моделирования в локальном и распределенном
вариантах
4.3. Моделирование системы БеОБЮг.
4.3.1. Анализ потенциальных и силовых функций
4.3.2. Параметры молекулярнодинамической модели.
4.3.3. Энергетика системы
4.3.4. Термодинамические свойства
4.3.5. Структурные характеристики ближнего порядка.
4.3.6. Исследование процессов полимеризации
4.3.7. Транспортные свойства.
4.4. Выводы
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ


Вороновой разрабатывается распределенная информационно-исследовательская система (ИИС) "Шлаковые расплавы" с удаленным доступом [, ], обеспечивающая проведение компьютерных экспериментов для систем большой размерности по моделированию физико-химических свойств и структуры многокомпонентных шлаковых расплавов. Ядром ИИС является метод молекулярной динамики. В системе интегрирован ряд более ранних наукоемких разработок. Для получения адекватных результатов, обладающих практической значимостью и обеспечения работоспособности ИИС через сеть ИНТЕРНЕТ, необходима разработка математических моделей эффективного расчета дальнодействия, применение новых информационных технологий, обеспечивающих распределенные высокопроизводительные вычисления и реализацию удаленного доступа. РеО-БЮг в удаленном режиме: структурные характеристики ближнего порядка, параметры полимеризованности, термодинамические параметры и кинетические коэффициенты переноса. БеО-ЗЮг проведены компьютерные эксперименты по молекулярно-динамическому и статистическому моделированию в удаленном режиме, получены зависимости между характеристиками, описывающими её состав и свойства, осуществлено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными. Работа имеет научную и практическую значимость по следующим основаниям. Разработанная в диссертации математическая модель учета дальнодействия при молекулярно-динамическом моделировании конденсированных сильновзаимодействующих систем вносит вклад в развитие теории плотных многочастичных систем с кулоновским взаимодействием и расширяет возможности их численного моделирования. Применение модели существенно уменьшает временные затраты на моделирование, позволяя таким образом увеличить размерность модельных систем до 5 частиц. Это принципиально изменяет возможности формальноматематического описания физико-химических явлений в системах с медленно развивающимися процессами, позволяя исследовать фундаментальную проблему взаимосвязи структура-свойство с учетом особенностей наноструктуры, что повышает достоверность расчетов, расширяет круг моделируемых свойств и увеличивает практическую ценность прогнозного компьютерного эксперимента. Применение компонентного подхода и новых информационных технологий (middleware, WEB, XML) обеспечивает высокий уровень гибкости, открытости и производительности разработанного программного комплекса. Разработка и интеграция системы удаленного доступа к ИИС предоставляет широкому кругу исследователей возможность удаленного доступа к реализации и результатам компьютерного эксперимента важнейших физико-химических свойств оксидных систем. Результаты работы могут быть использованы в таких областях как компьютерное материаловедение, физическая химия расплавов, а также в металлургии, электрометаллургии, химической энергетике, стекольной промышленности, ядерной энергетике. К конденсированным системам с сильным взаимодействием относится широкий класс веществ: солевые, шлаковые и металлические расплавы, плотная плазма, растворы электролитов и т. Все они имеют большое значение в технологии, физике, химии. Оптимальное использование расплавов в различных технологических процессах предполагает знание их теплофизических, транспортных, структурных и т. А это необходимо как из чисто научного интереса, так и с практической стороны. В этих условиях большое распространение получили различные полуэмпирические теории жидкостей [, , ]. Основанные на модельных предположениях, эти теории во многих случаях не имели под собой надежной базы [] и давали противоречивые результаты, предсказывая только изменение отдельных свойств []. Но из-за простоты они часто используются, особенно для анализа многокомпонентных солевых [] и шлаковых [, ] расплавов. Параллельно с развитием полуэмпирических, качественных теорий шла разработка и фундаментальных теорий, основанных на основных положениях статистической физики. В случае простейших потенциалов взаимодействия удается получить решение возникающих интегро-дифференциальных уравнений []. Дальнейшее распространение на более реальные системы предполагает использование термодинамической теории возмущений [].