Компьютерное моделирование процесса синтеза углеродных наноструктур с применением технологий параллельного программирования

A V Kalach; I S Tolstova

doi:10.22213/2410-9304-2024-1-62-68

Authors

A. V. Kalach Voronezh State University of Engineering Technologies
I. S. Tolstova Voronezh State University of Engineering Technologies

DOI:

https://doi.org/10.22213/2410-9304-2024-1-62-68

Keywords:

distributedcalculations, pipelining, parallelalgorithms, numericalmethods, simulation, plasma, nanostructures

Abstract

Carbonnanostructures attract an increasing attention among researchers in various spheres due to their unique physical and chemical properties. The article considers the application of numerical methods to find solutions of different nanostructure formation models. Modelling problem of carbon nanostructure synthesis is decomposed into six subproblems and time taken to their solution has been analyzed. Anassumption was made that the most effective optimization is that of electromagnetic field parameter analysis algorithm as this subproblem requires the least time to solve. It was shown that modern mathematical models applied for carbon nanostructure synthesis description are characterized by high dimensions causing difficulties in calculation of model parameters. The results with low computational efficiency are more evident in case of parallel approach as computation flows have to be stopped from time to time to determine the stopping condition meeting. Theimplementationofdistributedparallelstructuresis assumed to provide parallelizing of computational processes within distributed computational environment. To solve the present problem method of multiprogramming has been applied. Thealgorithmofparallelcomputationand its implementation in the form of set of scenarios written on Python finding plasma cube potential numerical value of the prescribeddimensions via certain iterations was suggested. The suggested approach of computation optimizing can be implemented in case of large-particle method that combinesserial application of Euler and Lagrange approaches providing algorithm parallelizing. Theassumedparallelizingtechniquecanalsobeapplied bothto move from computational mesh nodes to the interaction between large computational particles and to solve Harlowparticle-in-cell method.

Author Biographies

A. V. Kalach, Voronezh State University of Engineering Technologies

Doctor of Chemistry, Professor

I. S. Tolstova, Voronezh State University of Engineering Technologies

старший преподаватель кафедры информационных технологий, моделирования и управления

References

Эффективность многопоточных вычислений в системах компьютерного моделирования литейных процессов / В. Е. Баженов, А. В. Колтыгин, А. А. Никитина, В. Д. Белов, Е. А. Лазарев // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2023. Т. 29, № 3. С. 38-53. DOI 10.17073/0021-3438-2023-3-38-53.

Kostrov B.V., Grinchenko N.N., Vyugina A.A., Baranova S.N. Parallel computations in problems of reconstruction of distorted images in spatial-spectral form // Proceedings of the Institute for System Programming of the RAS. 2023. Т. 35. № 2. С. 157-168.

Повышение эффективности алгоритма Дейкстры с помощью технологий параллельных вычислений с библиотекой OPENMP / А. А. Аль-Саиди, И. О. Темкин, В. И. Алтай, А. Ф. Алмунтафеки, А. Н. Мохмедхуссин // Инженерный вестник Дона. 2023. № 8 (104). С. 90-105.

Антонов А. С. Введение в параллельные вычисления. М.: Изд-во МГУ, 2002. 69 c.

Воеводин В. В., Воеводин Вл. В. Параллельные вычисления. СПб.: БХВ-Петербург, 2002. 608 с.

Белоцерковский О. М., Давыдов Ю. М. Метод крупных частиц в газовой динамике. Вычислительный эксперимент. М.: Физматгиз, 1982. 392 с.

Абрамов Г. В.,Гаврилов А. Н., Ивашин А. Л. Использование параллельных вычислений в ресурсоемких задачах моделирования процессов движения и взаимодействия частиц в плазме при синтезе углеродных наноструктур // 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.

Эффективность организации параллельных вычислений высокопроизводительных вычислительных систем / А. Ф. Уласень, С. А. Скачков, С. Х. Екшембиев, Г. Б. Рыжов // Наукоемкие технологии. 2019. Т. 20, № 1. С. 76-80.

Семенистый В. В., Гамолина И. Э. Сравнительный анализ эффективности параллельных вычислений по явным и неявным разностным схемам для задач вычислительной аэродинамики // Известия ЮФУ. Технические науки. 2022. № 5 (229). С. 181-189.

Konopka K., Miłkowska-Piszczek K., Trebacz L., Falkus J. Improving efficiency of ccs numerical simulations through use of parallel processing // Archives of Metallurgy and Materials. 2015. V. 60 (1). P. 235-238. DOI 10.1515/amm-2015-0037.

Ежова Н. А., Соколинский Л. Б. Обзор моделей параллельных вычислений // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Вычислительная математика и информатика. 2019. Т. 8. № 3. С. 58-91.

Schwiegelshohn U., Badia R.M., Bubak M., Danelutto M., Dustdar S., Gagliardi F., Geiger A., Hluchy L., Kranzlmüller D., Laure E., Priol T., Reinefeld A., Resch M., Reuter A., Rienhoff O., Rüter T., Sloot P., Talia D., Ullmann K., Yahyapour R., von Voigt G. Perspectives on grid computing // Future Generation Computer Systems. 2010. V.26. P. 1104-1115. DOI 10.1016/j.future.2010.05.010.

Abramov G. V., Gavrilov A. N. Modeling of carbon nanostructures synthesis in low-temperature plasma // Advanced Materials and Technologies. 2019. № 1. С. 21-34. DOI 10.17277/amt.2019.01. Pp. 021-034.

Формирование кластерных групп углерода в плазме образующих объемные структуры при термическом разрушении графита / Г. В. Абрамов, А. Н. Гаврилов, И. С. Толстова, А. Л. Ивашин // Российские нанотехнологии. 2017. Т. 12, № 3-4. С. 22-26.

Заритовский А. Н., Котенко Е. Н. Изучение параметров синтеза углеродных наноструктур в дуговом разряде // Вестник Луганского национального университета имени Владимира Даля. 2019. № 7 (25). С. 180-184.

Биполярный вариант плазмоэлектрохимического синтеза углеродных наноструктур, декорированных MNOx / В. К. Кочергин, Р. А. Манжос, А. С. Коткин, А. Г. Кривенко // Химия высоких энергий. 2020. Т. 54, № 3. С. 245-250.