Liela apjoma skaitlisku fizikālu lauku aprēķini ir viena no pēdējo 50 gadu iezīmēm, kuru par iespējamu ir padarījis straujais skaitļošanas tehnoloģiju progress. Objektīva nepieciešamība pēc šādiem aprēķiniem ir gan ražošanā, jaunu produktu izveidē, gan dabas zinātnēs, arī klimata, un pat kosmoloģiska mēroga struktūru raksturošanā.

Skaitliskās metodes un to realizācija programmatūras produktos strauji attīstās mūsdienu ražošanas tendenču, tādu kā materiālu ekonomija, automātiskā projektēšana, patēriņa kultūras diktēts ātrs produkcijas dzīves cikls, eksperimentālo izstrādņu dārdzība, u.c. iemeslu dēļ.

Skaitliskās hidrodinamikas (CFD, no angļu valodas Computer Fluid Dynamics) un mehānikas aprēķini, iegūst arvien lielāku ietekmi jaunu produktu izstrādes procesā un optimizācijā, ļaujot ieekonomēt finanšu, izejvielu un laika resursus. Jaunu produktu izveide mūsdienu rūpniecībā ir gandrīz neiedomājama bez pavadošās skaitliskās modelēšanas.

Cieta ķermeņa deformāciju un slogojuma aprēķini, noguruma slodzes un plaisu rašanās mehānika (fracture mechanics), siltuma un masas apmaiņa šķidrā un gāzveida vidēs, kā arī cieta ķermeņa mijiedarbība ar šķidru vidi un elektromagnētiskā lauka aprēķini mūsdienās ir inženierfizikas problēmas, kuru risināšanai uzmanību velta daudzas zinātniskās institūcijas, ražotāji un inženiertehniskie konsultanti, kuri parasti klasterizējas ap lielajiem rūpniecības centriem. Nozares popularitāte ir pamatojama ar risināmo uzdevumu daudzveidību, plašu iesaistīto fizikālo parādību, pielietojamo metožu un problēmu skaitliskās sarežģītības spektru.

Modelis – masta novietošana, neņemot vērā vēja plūsmu ap to

Modelis – masta novietošana, ņemot vērā vēja plūsmu ap to

Fizikāla lauka atrašanas problēmu risināšana

Mūsdienās fizikāla lauka atrašanas problēmu risināšanai tiek lietotas programmatūras paketes, kurās atrodamas pamata algoritmu realizācijas. Gadiem ritot šīs paketes pieaug, kopējā apjomā sasniedzot simts cilvēka gadu programmētāju un speciālistu darba ieguldījuma ekvivalentu un vairāk.

Salīdzinājumā ar pagājušā gadsimta 70-90 gadiem mūsdienās relatīvi reti šādas paketes izstrādā atsevišķas personas vai relatīvi nelielas personu grupas. Pēdējā gadījumā parasti ir runa par pētniecībā lietotām programmatūras paketēm, kuras nav vispārīgas, bet gan paredzētas kādam īpašam mērķim, piemēram, kādas specifiskas fizikālas parādības vai ģeometrijas aprakstīšanai, kā arī jaunu skaitlisku metožu izveidei un attīstībai. Programmatūras paketes var būt gan komerciāla rakstura, gan arī bezmaksas un/vai atvērtā koda.

Komerciālā programmatūra bieži ir pieejama ar plašāku standarta rīku komplektu, tāpēc parasti ir ērtāka tipiskiem un tūlītējiem industriāliem pielietojumiem. Atvērtā koda programmatūra dod iespēju papildināt paketes kodu, ļaujot veikt pētījumus algoritmu, skaitlisko un fizikālo modeļu izveidē kā arī ļaujot risināt specifiskus uzdevumus.

Radioastronomisko datu apstrāde

Kopš 2010. gada VeA IZI VSRC zinātniskais personāls veic uzdevumus saistībā ar radioastronomisko datu apstrādi dažādos projektos, tai skaitā, ERAF programmas projektā “Zemes tuvās apkārtnes radioastronomiskie pētījumi” un 7.ietvara programmas projektā “NEXPReS”, bet laikā gaitā ir mainījušies datu reģistratori un to ierakstīšanas formāti, ir palielinājusies personāla pieredze un kompetence, tādejādi radot iespēju uzlabot un pielāgot konkrētiem projekta uzdevumiem jau esošus divus datu apstrādes korelatorus (KANA – izstrādāts VSRC un radīts Zemei tuvo objektu novērojumu datu apstrādei, un SFXC – izstrādāts JIVE un paredzēts vairāk Zemei tālo objektu novērojumu datu apstrādei). Jāpiezīmē, ka katrs korelators tiek pielietots atšķirīgiem darba uzdevumiem un katram ir noteikta procedūru kopa pirms datu apstrādes.

KANA korelators ir izveidots 2012. gadā VSRC AVS nodaļā projekta “Zemes tuvās apkārtnes radioastronomiskie pētījumi” īstenošanas laikā un tas ir paredzēts Zemei tuvo objektu novērojumu datu apstrādei, jo tas nodrošina novērotā objekta frekvenču nobīdes un laika nobīdes korekcijas.  Laika nobīdes kompensācija nepieciešama, lai divās stacijās uztvertos signālus varētu kroskorelēt, jo uztvertais signāls katrā stacijā ienāk atsķirīgos laikos atkarībā no stacijas atrašanās vietas uz Zemes un atteicībā pret novērojamā objekta. Frekvenču nobīdes kompensācija nepieciešama, jo Zemei tuvie objekti kustās attiecībā pret Zemi un veidojas Doplera nobīde, kuru nepieciešams kompensēt pirms divu signālu kroskorelācijas.

Novērojuma VLBR 10.1 (objekts – 35303) datu apstrādes rezultāts – iegūts ar VSRC AVS izstrādāto datu apstrādes programmnodrošīnājumu KANA. Pēc spektra maksimumiem var aprēķināt objekta kustību un orbītu

VSRC augstas veiktspējas skaitļošanas klasteris – A bloks (kopumā 2 bloki)

Dažāda tipa skaitliskas problēmas prasa dažādas skaitļošanas jaudas. Parasti nelielas detaļas dizainam ar atbilstošo slodžu skaitliskajiem aprēķiniem var pietikt ar vidēja biroja PC resursiem, kamēr gāzu/šķidruma plūsmas modelēšanai ap lieliem objektiem (tādiem kā tiltiem vai kuģiem) var jau būt nepieciešams lietot ievērojami dārgāku skaitļotāju ar paplašinātu atmiņas apjumu un lielāku kodolu skaitu.

Parādoties interesei par šķidruma un struktūras mijiedarbību (piemēram, tilta šūpošanās vējā [1], lidmašīnas spārnu vibrācijas [2]) vai daudzfāzu vides aprēķiniem (eļļas izplūde kuģa avārijas gadījumā [3], ķīmiskas reakcijas [4], degvielas iesmidzināšana auto dzinēja cilindrā [5], utt.) ir nepieciešams rēķināties ar vajadzību pēc augstas veiktspējas skaitļošanas klastera [6], kas ir vairāku (10-100) specializētu skaitļotāju apvienojums, summāri ar vairāku desmitu kodoliem.

Visbeidzot, tādas problēmas, kā globālā klimata modelēšana [7], fundamentāli pētījumi turbulences jomā [8], bioloģijā – smadzeņu darbības modelēšana [9], utt. var prasīt superkompjūteru ar vairākiem simtiem tūkstošu kodolu un enerģijas patēriņu mērāmu desmitos megavatu.

VSRC plānotie pētījumi un citas darbības ir paredzētas vidējā – HPC klasteru līmenī, izmantojot Ventspils Augstskolas (VeA) personāla zināšanas mehānikā un nepārtrauktas vides fizikā. AVS pētījuma virziens ir izveidots, balstoties uz zinātniski – pētniecisko projektu pieredzi.

Skaitliskā modelēšana ir veikta, atbalstot vietējo industriju (vairāki nelieli vertikālas ass vēja ģeneratora hidrodinamikas un cietvielu mehānikas aprēķini), tāpat tiek veikti pētījumi Irbenes radioteleskopu kompleksa infrastruktūras sakarā, tādi kā RT-16 un RT-32 antenu deformāciju aprēķini, kuru rezultāti tika salīdzināti ar tenzodevēju rādījumiem konstrukcijas kvalitātes kontrolei.

Bez šīm minētajām aktivitātēm VSRC AVS nodaļai ir ciešas saites ar Paula Šērera Institūtu Šveicē, kuru infrastruktūras – protonu staru mērķu, u.c. objektu aprēķini ir veikti ar VSRC AVS nodaļas palīdzību. Līdzīgi VSRC AVS nodaļa ir ar skaitliskās hidrodinamikas aprēķiniem atbalstījusi LU FMF nepārtrauktās vides fizikas katedras kristālu augšanas aprēķinu grupu (bij. vad. asoc.prof. A. Muižnieks).

RT-32 gaisa plūsmas līnijas ap RT-16

Atsauces:

  1. Billah, K.Y., Scanlan, R.H., Resonance, Tacoma Narrows bridge failure, and undergraduate physics texbooks. J. Phys., 59 (2), pp. 118-124, 1991.
  2. Schewe, G., Flow-induced vibrations and the Landau equation. Journal of Fluids and Structures, 43, pp. 256-270, 2013.
  3. Vethamony, P., et al., Trajectory of an oil spill off Goa, eastern Arabian Sea: Field observations and simulations. Environmental Pollution, 148 (2), pp. 438-444, 2007.
  4. Santana, S.H., Numerical simulation of mixing and reaction of Jatropha curcas oil and ethanol for synthesis of biodiesel in micromixers. Chemical Engineering Science, 132, pp. 159-168, 2015.
  5. Santana, S.H., Numerical simulation of mixing and reaction of Jatropha curcas oil and ethanol for synthesis of biodiesel in micromixers. Chemical Engineering Science, 132, pp. 159-168, 2015.
  6. HPC no High Performance Computing
  7. Vital, J.A., et al., High-performance computing for climate change impact studies with the Pasture Simulation model. Computers and Electronics in Agriculture, 98, pp. 131-135, 2013.
  8. Borrell, G., et al., A code for direct numerical simulation of turbulent boundary layers at high Reynolds numbers in GB/P supercomputers. Computers & Fluids, 80 (10), pp. 37-43, 2013.
  9. Matsumoto, Y., et al., Toward the multi-scale simulation for a human body using the next-generation supercomputer. Procedia IUTAM, 10, pp. 193-200, 2014