Supercomputer molecular modeling of thermodynamic equilibrium in gas-metal microsystems

Статья посвящена суперкомпьютерному моделированию термодинамического равновесия в микросистемах, содержащих разные вещества, находящиеся в различных агрегатных состояниях. В качестве примера нами рассмотрена система газ-металл, в которой в качестве газа используется азот, в качестве металла - никель. Такой выбор обусловлен тем, что рассматриваемая микросистема является основой многих технических приложений. В том числе, она используется в установках сверхзвукового холодного газодинамического напыления наночастиц наповерхности перспективных углеродсодержащих материалов. На первом этапе исследований представляет интерес равновесное состояние микросистемы азот-никель. Для моделирования процесса установления термодинамического равновесия в такой системе применен молекулярно-динамический подход. Выбранный численный алгоритм его реализации базируется на конечно-разностной схеме Верле. Для ускорения вычислений предложен параллельный алгоритм и выполнена его реализация в рамках технологий MPI и OpenMP. С помощьюразработанной программы исследован процесс установления термодинамического равновесия как в чистых компонентах (азоте и никеле) при нескольких значениях температуры, включая комнатную, так и в системе азот-никель. В численных экспериментах определены как оптимальные параметры методики расчета, в том числеэффективность распараллеливания при использовании процессоров с различной архитектурой, так и физические параметры моделируемого процесса. This paper is devoted to the supercomputer modeling of thermodynamic equilibrium in microsystems containing different substances in various aggregate states. As an example, a nitrogen-nickel system is considered. This choice is due to the fact that such a microsystem is the basis of many technical applications, including the devices of supersonic cold gas-dynamic sputtering using nanoparticles on the surfaces of perspective carbonaceous materials. At the first stage of studies, the equilibrium state of a nitrogen-nickel microsystems is of interest. The molecular dynamic approach is used to model the thermodynamic equilibrium in this microsystem. The chosen numerical algorithm of its implementation is based on the Verlet finite-difference scheme. In order to increase the computational speedup, a parallel algorithm is proposed; its implementation is performed using the MPI and OpenMP technologies. The developed parallel solver is employed to study the establishment of thermodynamic equilibrium in the pure components (nitrogen and nickel) at several temperatures, including room temperature, and in the nitrogen-nickel microsystem. In the numerical experiments, the optimum parameters of the calculation procedure (including the efficiency of parallelization using processors of different architecture) and the physical parameters of the modeled process are found.