Моделирование синтеза углеродных наноструктур модифицированным численным методом крупных частиц

А В Калач; И С Толстова

doi:10.22213/2410-9304-2026-1-26-34

Авторы

А. В. Калач Воронежский государственный университет инженерных технологий
И. С. Толстова Воронежский государственный университет инженерных технологий

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2026-1-26-34

Ключевые слова:

углеродные наноструктуры, плазма, моделирование, численный метод крупных частиц, параллельные алгоритмы, распределенные вычисления, динамическая балансировка нагрузки

Аннотация

В статье рассмотрен вопрос моделирования кинетики заряженных частиц в межэлектродном пространстве при плазменно-дуговом синтезе углеродных наноструктур в присутствии катализатора с использованием модифицированного численного метода крупных частиц. Основное внимание уделяется адаптации стандартных алгоритмов молекулярной динамики для работы с большим числом частиц и их взаимодействием на макроскопическом уровне, а также разработке эффективных методов, позволяющих ускорить процесс моделирования с использованием персональных компьютеров. Модификация численного метода основана на адаптивном распределении крупных частиц в зависимости от активности столкновений в локальных областях межэлектродного пространства. В областях с высокой частотой столкновений вес макрочастиц уменьшается и их количество возрастает для обеспечения точности описания большого числа взаимодействий, а в областях с низкой частотой столкновений наоборот. Предложена методика балансировки загрузки рабочих станций вычислительного кластера и расчета необходимого числа ядер, основанная на назначении вычислительных ресурсов в зависимости от числа модельных крупных частиц в области расчета. Установлено, что разработанные методика и алгоритмы обработки больших объемов данных на основе параллельных вычислений, необходимых для решений многомерных нелинейных задач с использованием ресурсов распределенной вычислительной системы с балансировкой загрузки процессора, позволяют минимизировать процессорное время расчета. Получено максимальное ускорение в 266 раз по сравнению с последовательным алгоритмом, в то время как параллельный алгоритм с использованием графического процессора позволяет ускорить расчеты лишь в 153 раза. Работа имеет потенциал для дальнейшего улучшения методов синтеза углеродных наноструктур и разработки высокопроизводительных вычислительных инструментов в области нанотехнологий.

Биографии авторов

А. В. Калач, Воронежский государственный университет инженерных технологий

доктор химических наук, профессор

И. С. Толстова, Воронежский государственный университет инженерных технологий

-

Библиографические ссылки

Перспективные методы синтеза углеродных нанотрубок / А. А. Бидилдаева, Ж. К. Мышырова, А. Т. Тасимханова, С. В. Агасиева // Нанотехнологии: разработка, применение - XXI век. 2021. Т. 13, № 1. С. 36-47. DOI 10.18127/j22250980-202101-04. EDN YJDGVE.

Калеева А. А. Перспективы плазменно-дугового метода синтеза наноматериалов // XXV Туполевские чтения (школа молодых ученых) : Международная молодежная научная конференция, посвященная 60-летию со дня осуществления Первого полета человека в космическое пространство и 90-летию Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева-КАИ, Казань, 10-11 ноября 2021 года. Т. III. Казань : Изд-во ИП Сагиева А.Р., 2021. С. 17-20. EDN WGUPTG.

Пространственные характеристики плазмы дугового разряда применительно к синтезу кремниевых наноструктур / А. А. Калеева, Б. А. Тимеркаев, О. А. Петрова, А. А. Сайфутдинов // Вестник Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева. 2022. Т. 78, № 2. С. 10-16. EDN JVOZGZ.

Timerkaev B. A., Sofronitskiy A. O., Andreeva A. A.Carbon nanotubes formation in the decomposition of heavy hydrocarbons creeping along the surface of the glow discharge // Journal of Physics: Conference Series. 2016. Vol. 669, no. 1. P. 012062. DOI 10.1088/1742-6596/669/1/012062. EDN WWDULL.

Synthesis of carbon nanostructures in electric discharge / B. A. Timerkaev, B. R. Shakirov, A. L. Galieva [et al.] // Journal of Physics: Conference Series : Scientific Technical Conference on Low Temperature Plasma During the Deposition of Functional Coatings, Kazan, 05-08 ноября 2018 года. Vol. 1328. - Kazan: Institute of Physics Publishing, 2019. - P. 012039. - DOI 10.1088/1742-6596/1328/1/012039. - EDN GHRHEA.

Болдышева В. К., Сайфутдинов А. И. Исследование плазмохимического реактора на основе разряда постоянного тока в аргоне с графитовыми электродами в задачах синтеза углеродных наноструктур // Когерентная оптика и оптическая спектроскопия : сборник статей XXVI молодежной научной школы, Казань, 01-03 ноября 2022 года. Казань: Издательство «Фэн» Академии наук Республики Татарстан, 2022. С. 38-43. EDN BARYHB.

Polyakov S. V., Podryga V. O., Kudryashova T. A. HPC Simulation of Non-Linear Processes in Microsystems Gas-Metal // Lobachevskii Journal of Mathematics. 2020. Vol. 41, no. 8. P. 1554-1562. DOI 10.1134/S1995080220080168. EDN AFGGOF.

Абрамов Г. В., Гаврилов А. Н. Математические методы исследования кинетики формирования кластеров углерода в плазме // Системы и средства информатики. 2018. Т. 28, № 2. С. 116-127. DOI 10.14357/08696527180209. EDNUPLEHJ.

Калач А. В., Толстова И. С. Компьютерное моделирование процесса синтеза углеродных наноструктур с применением технологий параллельного программирования // Интеллектуальные системы в производстве. 2024. Т. 22, № 1. С. 62-68. DOI 10.22213/2410-9304-2024-1-62-68. EDN NHOJWD.

Абрамов Г. В., Гаврилов А. Н. Использование метода крупных частиц для численного моделирования процессов синтеза углеродных наноструктур в плазме // Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики : сборник трудов Международной научно-технической конференции, Воронеж, 18-20 декабря 2017 года / Воронежский государственный университет. Воронеж : Научно-исследовательские публикации ; Вэлборн, 2017. С. 479-489. EDN YRQAVQ.

Берендеев Е. А., Тимофеев И. В. Параллельный алгоритм для полунеявного метода частиц в ячейках с сохранением энергии и заряда // Сибирский журнал вычислительной математики. 2024. Т. 27, № 4. С. 365-378. DOI 10.15372/SJNM20240401. EDN MIQMZD.

Снытников А. В. Реализация на Pytorch расчета столкновений частиц методом Монте-Карло для моделирования плазмы методом частиц в ячейках // Балтийский морской форум : материалы XII Международного Балтийского морского форума : в 6 т. Калининград, 30 сентября - 04 ноября 2024 года. Калининград : Балтийская государственная академия рыбопромыслового флота, Калининградский государственный технический университет, 2024. С. 168-174. EDN RPTVIM.

Четверушкин Б. Н., Марков М. Б., Усков Р. В. О распараллеливании метода частиц для гибридного суперкомпьютера // Доклады Российской академии наук. Математика, информатика, процессы управления. 2022. Т. 505, № 1. С. 19-23. DOI 10.31857/S2686954322040063. EDN WSCWUJ.

Реализация метода частиц на компьютере с графическими ускорителями / А. В. Березин, Н. В. Заложный, О. С. Косарев [и др.] // Препринты ИПМ им. М. В. Келдыша. 2022. № 61. С. 1-21. DOI 10.20948/prepr-2022-61. EDN MGLWJP.

Использование параллельных вычислений в ресурсоемких задачах моделирования процессов движения и взаимодействия частиц в плазме при синтезе углеродных наноструктур / Г. В. Абрамов, А. Н. Гаврилов, А. Л. Ивашин, И. С. Толстова // Вестник Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана. Серия Естественные науки. 2018. № 5(80). С. 4-14. DOI 10.18698/1812-3368-2018-5-4-14. EDN VKFGRP.

Толстова И. С. Параллельный алгоритм численного моделирования синтеза углеродных наноструктур // Вестник Воронежского института ФСИН России. 2024. № 1. С. 125-131. EDN CAFQEU.

Толстова И. С. Моделирование синтеза углеродных наноструктур с использованием параллельных вычислений // Научный бюллетень Воронежского института МВД России. 2024. № 2. С. 120-127. EDN QREHXI.

Суков С. А. Метод балансировки загрузки для гетерогенных численных алгоритмов моделирования газодинамических течений // Журнал Средневолжского математического общества. 2021. Т. 23, № 2. С. 193-206. DOI 10.15507/2079-6900.23.202102.193-206. EDN DSKKCW.