Molekulardynamik und Lattice-Boltzmann Methoden

Dr.-Ing. Martin Bernreuther

Kurzbeschreibung

Ein bedeutender Anteil der Rechenzeit auf Hochleistungsrechnern nehmen heute Simulationsberechnungen aus dem Bereich der MolekularDynamik und der Computational Fluid Dynamics ein. Während die MD ein geeignetes Instrument zur Analyse von Phänomenen der Nanofluidik ist, können mit der klassischen CFD makroskopische Strömungsberechnungen bis hin zur Mikrofluidik durchgeführt werden. Der Kurs legt einen Schwerpunkt auf (parallele) Algorithmen und Datenstrukturen zur effizenten Umsetzung numerischer Verfahren in diesen Bereichen, wobei zunächst die hierfür nötigen Grundlagen behandelt werden. In Anbetracht eines an der Universität Stuttgart laufenden Sonderforschungsbereichs, werden auch Aspekte der Behandlung von Strömungen auf der Nanoskala angesprochen.

Die Molekulardynamik zur Simulation von Fluiden bildet den ersten Schwerpunkt des Kurses. Betrachtet werden starre mehrzentrige Moleküle mit kurzreichweitigen Potentialen. Ein kurzer Streifzug durch die statistische Physik zeigt Hilfsmittel zur Untersuchung makroskopische Systeme, die sich aus vielen einzelnen Molekülen zusammensetzen. Es soll aber auch kurz auf die Navier-Stokes Gleichungen als Kern der CFD eingegangen werden. Die Brücke von einer atomaren Betrachtungsweise zu den kontinuumsmechanischen Methoden bilden die sog. mesoskopischen Verfahren. Lattice Boltzmann Methoden zählen hierzu und haben sich historisch aus den zellularen Lattice Gas Automaten entwickelt. Eine Einführung in zelluläre Automaten, die z.B. durch Conway's "Game of Life" bekannt geworden sind, bildet den Einstieg in diese Thematik. Sowohl zur MD als auch zur LBM sollen in Übungen mit Hilfe von C++-Simulationsprogrammen numerische Experimente unternommen werden. Hierbei wird auf unterschiedliche, meist weit verbreitete, Mehrprozessorsysteme eingegangen, indem ein Einstieg in OpenMP (SMP) und MPI  (DMP) gegeben wird. Zudem soll in die Programmierung der CellBE eingeführt werden, wie sie z.B. in der Playstation 3, aber auch in HPC-Systemen zu finden ist.

Termine

Montags, 11:30-13:00 im Seminarraum V38.0.447

Materialien, Links

• Antragsformulare für den Rechnerzugang am IPVS
• Infos wie man GRID-basierten Zugang zum bwgrid Cluster erhält
• Download-Bereich

Zusätzlicher Lesestoff:

• Molekulardynamik
• M. Griebel, S. Knapek, G. Zumbusch, A. Caglar: Numerische Simulation in der Moleküldynamik, Springer Verlag, 2004 ( UB Signatur: 5C 3325)
• J. M. Haile: Molecular Dynamics Simulation. Elementary Methods, Wiley, 1997 ( UB Signatur: 4C 6071)
• M.P. Allen, D.J. Tildesley: Computer Simulation of Liquids, Oxford University Press, 1989 ( UB Signatur: 3C 9475)
• Daan Frenkel, Berend Smit: Understanding molecular simulation. From Algorithms to Applications, Elsevier Academic Press, 2001 ( UB Signatur: 4C 5221)
• Richard J. Sadus: Molecular simulation of fluids. theory, algorithms and object-orientation, Elsevier Academic Press, 2002 ( UB Signatur: 4C 7525)
• Lattice-Boltzmann Methode
• Dieter Hänel: Molekulare Gasdynamik. Einführung in die kinetische Theorie der Gase und Lattice-Boltzmann-Methoden, Springer Verlag, 2004
• Dieter A. Wolf-Gladrow: Lattice-Gas Cellular Automata and Lattice Boltzmann Models: An Introduction, Springer Verlag, 2000 ( UB Signatur: 5H 4984)
• Sauro Succi: The Lattice Boltzmann Equation for Fluid Dynamics and Beyond, Oxford University Press, 2001 ( UB Signatur: 5H 1399)
• Strömungsmechanik
• George Karniadakis, Ali Beskok, Narayan Aluru: Microflows and nanoflows, Springer Verlag, 2005 ( UB Signatur: 5C 4425)
• L.D. Landau, E.M. Lifschitz: Lehrbuch der theoretischen Physik (V: Statistische Physik 1, VI: Hydrodynamik, X: Physikalische Kinetik), Akademie Verlag, 1991 ( UB Signatur: 2C 6720)