Русская версия English version

Об ускорении вычислений при помощи быстрой оценки близости частиц в методе молекулярной динамики

А.А. Харитонов, И.Ф. Ясинский

Вестник ИГЭУ, 2017 г. выпуск 4, сс. 50—55

Скачать PDF

Аннотация на русском языке: 

Состояние вопроса: Метод молекулярной динамики активно используется при исследовании процессов в сплошных средах. Его применяют при проектировании ядерных реакторов для изучения процессов воздействия излучения на вещество, в расчетах гидравлического, фильтрационного и температурного режимов для обоснования надежности и безопасности гидротехнических сооружений и при решении ряда других задач энергетики, решаемых с помощью механики сплошных сред. Важным вопросом в методе молекулярной динамики остается выбор способа оценки близости частиц, составляющих моделируемую систему. Критерии выбора такого способа зависят от опыта исследователя, в то время как оценка близости является вычислительно сложной процедурой и значительно сдерживает возможности по изучению больших объектов. Целью исследования является ускорение вычислений в методе молекулярной динамики путем разработки быстрого метода оценки близости частиц.

Материалы и методы: Применяются методы молекулярной динамики, способы оценки близости частиц по Эйлеру, Лагранжу. Используются такие методы прикладной математики, как численное интегрирование дифференциальных уравнений методом Рунге-Кутта, оценка погрешности результатов и компьютерное моделирование физических процессов.

Результаты: Предложен комбинированный способ оценки близости частиц, основанный на сортировке частиц по одной из пространственных координат и последовательном отсечении удаленных частиц в соответствии с функцией-метрикой. Выполнено исследование предложенного способа оценки близости частиц на примере физической задачи о динамике газопылевого облака. Численные эксперименты с последовательными и параллельными программными моделями показали увеличение скорости вычислений предложенного подхода по сравнению с традиционными схемами близости по Эйлеру и Лагранжу от 2,2 раз в системе из 103 частиц и до 200 раз в системе из 106 частиц.

Выводы: Предложенный подход при оценке близости частиц в молекулярной динамике позволяет уменьшить временные затраты при моделировании молекулярных процессов и ускорить исследование больших систем, состоящих из более 106 частиц. Способ является альтернативой известным методам Эйлера и Лагранжа, совместим со всеми видами потенциальных взаимодействий и может быть использован при математическом моделировании на основе метода молекулярной динамики. Достоверность результатов подтверждается подобием тестовых и изучаемых в энергетике моделей.

Список литературы на русском языке: 

1. Кривцов А.М., Кривцова Н.В. Метод частиц и его использование в механике деформируемого тела // Дальневосточный математический журнал ДВО РАН. – 2002. – Т. 3, № 2. – С. 254–276.

2. Непрерывно-атомистическое моделирование процессов взаимодействия тяжелых ионов с металлами на высокопроизводительных вычислительных системах / С.Н. Димова, И.В. Пузынин, Т.П. Пузынина и др. // Труды VII Междунар. конф. «Распределенные вычисления и грид-технологии в науке и образовании» (ГРИД 2016). – Дубна, Россия, 2017. CEUR-WS.org

3. Капустин П.Е. Моделирование ГПУ-циркония методом молекулярной динамики // Известия Самарского научного центра Российской Академии Наук. – 2013. –
Т. 15, № 4–5. – С. 1131–1136.

4. Методы молекулярной динамики для моделирования физических и биологических процессов / Х.Т. Холмуродов, В.М. Алтайский, И.В.  Пузынин и др. // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2003. – Т. 34, вып. 2. 

5. Rahman A. Correlations in the motion of atoms in liquid argon // Phys. Rev. – 1964. – 136A. – Р. 405–411.

6. Haile J.M. Molecular dynamics simulation. – Wiley, 1992.

7. Шайтан К.В. Молекулярная динамика пептидов // Динамические модели процессов в клетках и субклеточных наноструктурах / под ред. Г.Ю. Ризниченко и А.Б. Рубина; НИЦ «Регуляция и хаотическая динамика»; Ин-т компьютерных исследований. – М.; Ижевск, 2009. – С. 101.

8. Крокетон К.А. Физика жидкого состояния: пер. с англ. – М., 1978.

9. Динамическая модель образования системы Земля-Луна / Э.М. Галимов, А.М. Кривцов, А.В. Забродин и др. // Геохимия. – 2005. – № 11. – С. 1137–1149.

Ключевые слова на русском языке: 
методы молекулярной динамики, оценка близости, параллельные вычисления, моделирование молекулярных процессов, алгоритм сортировки
Ключевые слова на английском языке: 
molecular dynamics, proximity estimation, parallel computations, molecular process simulation, sorting algorithm
Индекс DOI: 
10.17588/2072-2672.2017.4.050-055
Количество скачиваний: 
6