Теоретические исследования, математическое моделирование

В РФЯЦ-ВНИИЭФ разработкой расчетно-теоретических методов моделирования занимается коллектив физиков-теоретиков и математиков института теоретической и математической физики (ИТМФ), имеющий более чем 50-летнюю историю, сложившиеся научные традиции и уникальный кадровый состав. От «ручных» вычислений до численного моделирования в реальной трехмерной геометрии - таков путь, пройденный за эти десятилетия. Создан ряд новых научных направлений в областях прикладной теоретической физики и прикладной математики, разработаны более 400 крупных программных комплексов, с помощью которых решено значительное количество сложнейших задач.

Вычислительный центр (ВЦ)

ВЦ РФЯЦ-ВНИИЭФ один из крупнейших вычислительных центров в нашей стране. Он оснащен высокопроизводительной техникой, основанной на мультипроцессорной архитектуре, с помощью которой создаются методы математического моделирования и расчетные технологии нового поколения, ориентированные на обеспечение расчетно-теоретических работ на качественно новом уровне
В состав ВЦ входят 9 современных высокопроизводительных ЭВМ различной архитектуры. Они объединены в единый неоднородный вычислительный комплекс, интегрированный в вычислительную сеть института. 
В институте активно проводятся работы по созданию кластерных вычислительных систем, в том числе и разработка собственных программных и аппаратных компонент таких систем: моделирование системы охлаждения, разработка конструкции вычислительных шкафов; проектирование кабельных систем кластерных комплексов; средств настройки, мониторинга и диагностики аппаратных средств; исследования по использованию ускорителей для гибридных архитектурных систем... далее>>>

Вычислительный центр для гражданских исследований (ВЦКП)
В 2008 году на базе ВЦ РФЯЦ-ВНИИЭФ был создан ВЦКП суммарной производительностью 25 терафлоп/с, который предоставляет мощные вычислительные ресурсы научным, образовательным организациям и предприятиям гражданских отраслей промышленности для проведения компьютерного моделирования на высокопроизводительных многопроцессорных ЭВМ.
Отработана технология защищенного удаленного доступа сторонних организаций к вычислительным ресурсам ВЦКП РФЯЦ-ВНИИЭФ и их совместного использования. Созданы каналы удаленного доступа специалистов организаций Нижнего Новгорода, Москвы, Санкт-Петербурга к ресурсам ВЦКП.

Системное программное обеспечение

Разработанное системное программное обеспечение гарантирует надежную и эффективную эксплуатацию многопроцессорных ЭВМ ВЦ ВНИИЭФ, а также эффективное проведение расчетного моделирования на этих ЭВМ. Эффективное использование аппаратных компонент высокопроизводительных мультипроцессорных систем прикладными параллельными приложениями невозможно без средств системного программного обеспечения, учитывающего архитектурные особенности вычислительной системы.

Пакет базового системного и прикладного програмного обеспечения
Для эксплуатации многопроцессорных вычислительных комплексов с неоднородным аппаратным и программным обеспечением разработан пакет базового системного и прикладного программного обеспечения, который позволяет: унифицировать создание, выполнение, контроль и планирование счета потока параллельных задач; унифицировать формат файла результатов счета параллельных математических программных комплексов; поддерживать необходимый уровень свободного файлового пространства для выполняющихся на супер-ЭВМ приложений; контролировать эффективность распараллеливания программных комплексов и степень использования вычислительных ресурсов в целом; оптимизировать состав оборудования создаваемых ЭВМ; упростить наладку и тестирование ЭВМ.

Базовое системное программное обеспечение, включающее операционную систему, очередь управления заданиями, коммуникационные библиотеки, реализовано на базе собственных разработанных компонент или с использованием компонент с открытым исходным кодом, что обеспечивает возможность переноса его на вычислительные системы и его функционального расширения и модернизации. БСППО установлено на всех ЭВМ ВЦ ВНИИЭФ...далее>>>

Программные пакеты общего сервиса
Созданные программные пакеты общего сервиса предназначены для подготовки исходных данных для расчетов, сопровождения процесса счета и обработки полученных результатов моделирования.
Особое внимание уделяется разработке специализированных программных пакетов общего сервиса, обеспечивающих: единое задание начальных данных для проведения расчетов на многопроцессорных ЭВМ (препроцессоры); графическую обработку результатов расчетов (постпроцессоры); эффективную систему управления неоднородным вычислительным комплексом (НВК) и процессом расчетного моделирования на ЭВМ НВК.

Препроцессоры

Связка редактора SolidEditor и программы 2D-РНД – комплексное решение для интерактивной визуальной подготовки в унифицированном виде геометрий и начальных данных, построения сеток и распределения сеточных данных двумерных задач, рассчитываемых по различным методикам.
В редакторе реализованы многие возможности для задания и редактирования двумерной геометрии. Кривые можно задавать при помощи мыши или в аналитическом виде в диалоговом режиме. Математические алгоритмы позволяют работать с геометриями, включающими большое число двумерных кривых (100 000 и более). Реализована возможность редактирования кривых с сохранением связей, а также возможность клонирования группы кривых... далее>>>

Постпроцессоры
Параллельная система постобработки ScientificView предназначена для отображения, фильтрации и численного анализа данных, определенных на разностных сетках регулярного типа, двумерных и трехмерных. Система включает в себя более десяти алгоритмов графической обработки: построение сечений, вырезов, полей, изоповерхностей, средства для анализа топологии, а также возможности табличного просмотра данных, сложный поиск и замена по значению, вычисление экстремумов, интегральных характеристик и т.д.
Работа процедур чтения и обработки данных в параллельном режиме, оригинальные методы быстрого формирования изображения позволяют проводить обработку данных на сетках с числом ячеек до 1 млрд. Развитый инструментарий и высокая производительность ScientificView обеспечивают в реальном времени обработку данных, полученных при моделировании процессов математической физики.

Система связи независимо разработанных программных комплексов – PSS

Средства интеграции независимо разработанных программных комплексов для моделирования связанных физических процессов в рамках одной задачи на супер-ЭВМ - новое направление. Оно приобретает особую важность при адаптации существующих кодов к новой вычислительной технике на базе территориально-распределенных многопроцессорных вычислительных систем (МВС). Специалистами математического отделения РФЯЦ ВНИИЭФ совместно с РНЦ «Курчатовский институт» разработана технология интеграции независимых исполняемых кодов для проведения совместного моделирования, которая обеспечивает: гибкость при объединении независимых программных продуктов для проведения совместных вычислений; сохранение закрытости кодов, моделей и форматов данных; минимизацию затрат разработчика по внесению изменений в программные продукты для подключения их к системе совместных расчетов; поддержку различных языков программирования; и позволяет проводить расчеты: в вычислительных центрах на супер-ЭВМ с удаленным динамическим контролем; с использованием больших объемов данных (благодаря децентрализованной организации); с использованием произвольной группы вычислительных систем под управлением различных ОС (Windows, Linux). Данная технология была опробована на численном моделировании объектов ядерной энергетики.

Методики и программы в интересах гражданских отраслей и обучающие программы

С конца 1980-х годов развернуты работы по созданию программных кодов для анализа динамики и безопасности реакторных установок и расчета последствий аварийных ситуаций. Создан ряд оригинальных методик и программных пакетов:

Расчет нейтронно-физических процессов в активной зоне (АЗ) реакторной установки (РУ)

КОРАТ-3D – расчет нейтронной диффузии в 3D геометрии. Математические модели, положенные в основу программного кода КОРАТ-3D, позволяют описывать процессы нейтронно-ядерного взаимодействия, происходящие в АЗ РУ. Для этого используется трехмерная модель переноса нейтронов в многогрупповом диффузионном приближении; учитывается кинетика произвольного числа групп предшественников запаздывающих нейтронов.
Используемая методика позволяет проводить расчеты с детальным учетом трехмерной геометрии РУ, учитывать гетерогенность каналов не только в аксиальном, но и в радиальном направлении. Используемое в расчетах нейтронно-константное обеспечение создается для каждого типа реактора по комплексу, разработанному в математическом отделении РФЯЦ-ВНИИЭФ. Возможно подключение библиотек констант, созданных в других организациях.
Код КОРАТ-3D позволяет проводить расчеты на вычислительных машинах, как в однопроцессорном режиме, так и на многопроцессорных ЭВМ с распределенной памятью в параллельном режиме. В настоящее время код КОРАТ-3D дополнен программными блоками расчета процессов, происходящих в трехмерной АЗ РУ, в многогрупповом анизотропном транспортном (кинетическом) приближении с учетом кинетики произвольного числа групп предшественников запаздывающих нейтронов на регулярных и нерегулярных пространственных сетках.

Физико-математические модели

ЭВМ нового поколения позволили в значительной степени уточнить и расширить физические модели, повысить математическую точность расчетов. Основная задача сотрудников института - создание такой расчетно-теоретической базы, которая обеспечила бы возможность поддержания на должном уровне надежности и безопасности ядерных боеприпасов, стоящих на вооружении, в условия отсутствия натурных испытаний.
Выполнен большой объем работ по разработке и внедрению математических методик, базирующихся на новых физико-математических моделях, в базовые 2D и 3D программные комплексы. Особое внимание уделяется работам по созданию и совершенствованию параллельных версий комплексов программ. Такие комплексы позволяют вести на многопроцессорных ЭВМ с распределенной памятью систематические расчеты задач, при решении которых прежде ограничивались лишь приближенными оценками и упрощенным описанием физических процессов.

Банки данных по сечениям взаимодействия частиц

В РФЯЦ-ВНИИЭФ созданы обширные банки данных по уравнениям состояния (УРС) многих веществ в широком диапазоне их плотностей и температур, банки данных по сечениям взаимодействия частиц, созданы программы, позволяющие конструировать модели веществ на базе экспериментальных данных или на основе квантово-механических расчетов.
Система константного обеспечения нейтронно-физических расчетов
Для проведения расчетов переноса частиц (нейтроны, гамма-кванты, заряженные частицы) в математическом отделении ВНИИЭФ создана система обеспечения ядерно-физическими константами, имеющая законченный целостный вид. Все компоненты системы константного обеспечения образуют замкнутую технологическую цепочку, включающую в себя работу с библиотеками оцененных нейтронных данных, выработку рекомендаций по использованию тех или иных библиотек констант для различных классов задач, расчет групповых констант и уточнение констант в процессе решения нестационарных задач переноса нейтронов... далее>>>

Уравнения состояния веществ (УРС) и материалов и пробеги излучения

Для расчета термодинамических функций УРС и пробегов излучения разработан комплекс программ, который легко пополняется новыми программами расчета УРС, представленных в аналитической или табличной форме. Реализованные в программах алгоритмы прошли многостороннюю проверку и показали высокую эффективность при решении прикладных задач в различных областях науки и техники.
В ИТМФ разработан пакет программ УРС-ОФ - общая система УРС, уравнений для расчета упругопластических свойств и коэффициентов поглощения фотонов. Пользователем данного пакета может стать любая прикладная программа (ПП) численного решения задач математической физики. Это, во-первых, позволяет избежать дублирования при создании собственных программ УРС, во-вторых, избежать трудностей при сопоставлении результатов расчетов по различным прикладным программам. Наконец, при создании пакета использована совокупность знаний по УРС и коэффициентам поглощения фотонов, накопленных в результате научных разработок и опытных исследований в течение нескольких десятилетий, что важно для разработчиков ПП... далее>>>

Молекулярно-динамическое моделирование свойств материалов

В ИТМФ ведутся работы по моделированию зарождения и развития радиационных каскадов в кристаллических структурах в задачах старения конструкционных материалов. Например, МД расчет высокоэнергетических каскадов в ГЦК меди при энергии первичного атома меди – 25 кэВ, температуре решетки – 100 К. Целью работы является определение и классификация объемных дефектов кристаллической решетки в зависимости от энергии каскада (энергии первичного атома) и температуры решетки; получение наиболее устойчивых для ГЦК меди видов объемных дефектов (вакансионных и внедрения); изучение особенностей кластеризации вакансионных кластеров и кластеров внедрения в ГЦК меди (соотношение по размерам, количеству, строению).

Созданы и протестированы алгоритмы получения по результатам МД расчетов континуальных термодинамических параметров на основе формализма Харди: плотности, массовой скорости, температуры, плотности энергии. Разработанная параллельная подпрограмма тестировалась на результатах расчетов задач развития радиационных каскадов.
Ведется отработка технологии молекулярно-динамического моделирования процессов зарождения и развития микротрещин в кристаллических структурах при динамическом нагружении. Искусственно моделировались неоднородности на пути распространения микротрещин, исследовалась зависимость скорости распространения трещины от размеров и скорости растяжения образца.

В ИТМФ ведутся работы по отработке технологии численного моделирования распространения ударных волн в кристаллических твердых телах. Разработаны алгоритмы нагружения, алгоритмы оценки скорости распространения УВ, а также создана параллельная версия программы обработки результатов счета задач: определение плотности вещества за фронтом УВ, температуры среды за фронтом УВ, давления за фронтом УВ, массовой скорости частиц за фронтом УВ методом подвижных ячеек. Введен новый способ задания начальной структуры материалов – поликристаллическая структура атомов. В этой структуре также проведено моделирование процесса распространения ударной волны.Постоянно ведется разработка новых потенциалов межчастичного взаимодействия для различных видов металлов: парные потенциалы, потенциалы погруженного атома EAM, модернизированные потенциалы погруженного атома MEAM и др. Отрабатывается технология численного моделирования процессов динамического разрушения материалов методом кластерной динамики: выход ударной волны на профилированную поверхность алюминиевой пластины, пробитие алюминиевой толстой и тонкой преграды круглым ударником, растяжение образцов и др.

Использование электрофизических установок для исследования физических процессов

Физические процессы при разгоне лайнеров до высоких скоростей
На эйлеровых сетках проведены МГД–расчеты сжатия лайнерных систем при больших токах (до 60 МА), магнитных полях (до 5 MG) и скоростях лайнера (до 24 км/с). Эти системы представляют интерес для экспериментов по измерению ударных адиабат конденсированных материалов при давлениях до 3000 ГПа. Учитывалась прочность алюминия и меди по упругопластической модели, и использовались широкодиапазонные уравнение состояния и проводимость для алюминия. В отличие от аналогичной лайнерной системы ALT-1, для которой были проведены эксперименты при вдвое меньших токах, магнитных полях и скоростях лайнера, здесь взаимодействие лайнера с торцевыми медными стенками приводило к нарастанию возмущений лайнера. Подбирая форму медных стенок, в расчетах удалось получить достаточно малые возмущения внутренней поверхности лайнера, что важно для использования лайнера в качестве ударника. 
       
Свойства двумерных турбулентных течений в ограниченной области
Изучение двумерных течений в ограниченной области имеет существенное значение для анализа поведения плазмы в камере МАГО. Наличие магнитного поля приводит к тому, что МГД течение остается двумерным и его можно описывать с помощью обычной гидродинамики. Была рассмотрена эволюция кругового вихря в квадратной области: конфигурация, которая является неустойчивой и должна приводить к турбулентному течению. Расчеты показали, что со временем течение приобретает сложный турбулентный вид, однако в дальнейшем возвращается к конфигурации одного вихря и сохраняет квазистационарную форму с небольшими искажениями. Такая форма сохраняется сколь угодно долго, и время ее существования определяется временем спада кинетической энергии, вызванным вязкостью.