Víceúrovňové modelování - Multiscale modeling - Wikipedia

Víceúrovňové modelování nebo víceúrovňová matematika je pole řešení problémů, které mají důležité rysy v různých časových a / nebo prostorových měřítcích. Mezi důležité problémy patří víceúrovňové modelování tekutin,[1][2] pevné látky,[2][3] polymery,[4][5] bílkoviny,[6][7][8][9] nukleové kyseliny[10] stejně jako různé fyzikální a chemické jevy (jako adsorpce, chemické reakce, difúze ).[8][11][12]

Dějiny

Horstemeyer 2009,[13] 2012[14] představil historický přehled různých disciplín (matematika, fyzika a věda o materiálech) pro pevné materiály související s modelováním víceúrovňových materiálů.

Nedávný nárůst víceúrovňového modelování od nejmenšího měřítka (atomy) po celou systémovou úroveň (např. Auta) související s mechanikou těles, který nyní přerostl v mezinárodní multidisciplinární činnost, se zrodil z nepravděpodobného zdroje. Vzhledem k tomu, že národní laboratoře amerického ministerstva energetiky (DOE) začaly omezovat jaderné podzemní zkoušky v polovině 80. let, s posledním v roce 1992, zrodila se myšlenka koncepcí návrhu a analýzy založených na simulaci. Víceúrovňové modelování bylo klíčem k získání přesnějších a přesnějších prediktivních nástrojů. V podstatě se počet testů na úrovni systémů ve velkém měřítku, které se dříve používaly k ověření návrhu, snížil na nic, což zaručuje zvýšení výsledků simulace komplexních systémů pro účely ověření návrhu a ověření.

Myšlenka vyplnění prostoru „testů“ na úrovni systému byla poté navržena tak, aby byla vyplněna výsledky simulace. Po Smlouvě o úplném zákazu zkoušek z roku 1996, ve které se mnoho zemí zavázalo ukončit jaderné testování na všech systémech, se v rámci ministerstva energetiky (DOE) zrodily programy jako Advanced Strategic Computing Initiative (ASCI), které řídí národní laboratoře v USA. . V ASCI bylo základním uznaným předpokladem poskytnout přesnější a přesnější nástroje pro návrh a analýzu založené na simulaci. Z důvodu požadavků na větší složitost simulací se hlavní výzvou, kterou je třeba řešit, staly paralelní výpočty a multiscale modelování. S touto perspektivou se myšlenka experimentů přesunula z komplexních testů ve velkém měřítku na multiscale experimenty, které poskytly materiálové modely s validací v různých délkových měřítcích. Pokud by modelování a simulace byly fyzicky založené a méně empirické, pak by bylo možné realizovat prediktivní schopnost pro jiné podmínky. Jako takové byly v národních laboratořích DOE nezávisle vytvářeny různé metodologie modelování s více měřítky: Los Alamos National Lab (LANL), Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), Sandia National Laboratories (SNL) a Oak Ridge National Laboratory (ORNL). Pracovníci z těchto národních laboratoří navíc podporovali, financovali a řídili akademický výzkum související s víceúrovňovým modelováním. Vytvoření různých metodik a výpočetních algoritmů pro paralelní prostředí proto vedlo k různým důrazům týkajícím se víceúrovňového modelování a souvisejících víceúrovňových experimentů.

Nástup paralelních výpočtů také přispěl k vývoji víceúrovňového modelování. Vzhledem k tomu, že více paralelních výpočetních prostředí bylo možné vyřešit více stupňů volnosti, bylo možné připustit přesnější a přesnější algoritmické formulace. Tato myšlenka také přiměla politické vůdce povzbudit koncepty designu založené na simulaci.

V sítích LANL, LLNL a ORNL byly snahy o modelování ve více měřítcích poháněny komunitami materiálových věd a fyziky s přístupem zdola nahoru. Každý z nich měl různé programy, které se snažily sjednotit výpočetní úsilí, informace o materiálové vědě a algoritmy aplikované mechaniky s různými úrovněmi úspěchu. Bylo napsáno několik vědeckých článků a multiscale aktivity si vyžádaly různé životy. V SNL bylo snahou o modelování ve více měřítcích inženýrský přístup shora dolů, vycházející z pohledu mechaniky kontinua, který byl již bohatý na výpočetní paradigma. SNL se pokusila sloučit komunitu vědy o materiálech do komunity mechaniků kontinua, aby řešila problémy menšího rozsahu, které by mohly pomoci vyřešit technické problémy v praxi.

Jakmile byla tato infrastruktura pro správu a související financování zavedena v různých institucích DOE, začaly různé akademické výzkumné projekty, které zahájily různé satelitní sítě víceúrovňového modelového výzkumu. Technologický převod také vznikl do dalších laboratoří v rámci ministerstva obrany a průmyslových výzkumných komunit.

Růst víceúrovňového modelování v průmyslovém sektoru byl způsoben především finančními motivacemi. Z pohledu národních laboratoří DOE došlo k posunu od mentality experimentů se systémy velkého rozsahu kvůli Smlouvě o jaderném zákazu z roku 1996. Jakmile si průmysl uvědomil, že pojmy víceúrovňového modelování a designu založeného na simulaci jsou invariantní k typu produktu a že efektivní víceúrovňové simulace mohou ve skutečnosti vést k optimalizaci designu, začal v různých opatřeních v různých průmyslových odvětvích docházet k posunu paradigmatu, protože úspora nákladů a přesnost odhadů záruky na produkt byla racionalizována.

Mark Horstemeyer, Integrované výpočetní materiálové inženýrství (ICME) pro kovy, Kapitola 1, oddíl 1.3.

Výše zmíněné snahy o modelování ve více stupnicích DOE měly svou hierarchickou povahu. První souběžný víceúrovňový model nastal, když Michael Ortiz (Caltech) převzal kód molekulární dynamiky Dynamo (vyvinutý Mikeem Baskesem v Sandia National Labs) a se svými studenty jej poprvé vložil do kódu konečných prvků.[15] Martin Karplus, Michael Levitt, Arieh Warshel Rok 2013 byl oceněn Nobelovou cenou za chemii za vývoj metody víceúrovňového modelování využívající jak klasickou, tak kvantovou mechanickou teorii, které byly použity k modelování velkých komplexních chemických systémů a reakcí.[7][8][9]

Oblasti výzkumu

Ve fyzice a chemii je víceúrovňové modelování zaměřeno na výpočet vlastností materiálu nebo chování systému na jedné úrovni pomocí informací nebo modelů z různých úrovní. Na každé úrovni se pro popis systému používají konkrétní přístupy. Obvykle se rozlišují tyto úrovně: úroveň kvantově mechanické modely (informace o elektronech jsou zahrnuty), úroveň molekulární dynamika modely (jsou zahrnuty informace o jednotlivých atomech), hrubozrnné modely (jsou zahrnuty informace o atomech a / nebo skupinách atomů), mezoscale nebo nano úroveň (jsou zahrnuty informace o velkých skupinách atomů a / nebo pozicích molekul), úroveň modelů kontinua, úroveň modelů zařízení. Každá úroveň řeší fenomén v určitém okně délky a času. Víceúrovňové modelování je zvláště důležité v integrované výpočetní materiálové inženýrství protože umožňuje predikci vlastností materiálu nebo chování systému na základě znalosti vztahů proces-struktura-vlastnost.[Citace je zapotřebí ]

v operační výzkum, víceúrovňové modelování řeší výzvy pro osoby s rozhodovací pravomocí, které vycházejí z víceúrovňových jevů napříč organizačními, časovými a prostorovými měřítky. Tato teorie se spojuje teorie rozhodování a víceúrovňová matematika a označuje se jako víceúrovňové rozhodování. Víceúrovňové rozhodování vychází z analogií mezi fyzickými systémy a složitými systémy vytvořenými člověkem.[Citace je zapotřebí ]

V meteorologii je víceúrovňové modelování modelování interakce mezi systémy počasí různých prostorových a časových měřítek, které produkují počasí, které zažíváme. Nejnáročnějším úkolem je modelovat způsob interakce povětrnostních systémů, protože modely nemohou vidět za hranici velikosti modelové mřížky. Jinými slovy, spustit atmosférický model, který má velikost mřížky (velmi malá ~ 500 m), který vidí každou možnou cloudovou strukturu pro celou planetu, je výpočetně velmi nákladný. Na druhou stranu výpočetně proveditelné Globální klimatický model (GCM), s velikostí mřížky ~ 100 km, nevidí menší cloudové systémy. Musíme se tedy dostat do rovnovážného bodu, aby se model stal výpočetně proveditelným a zároveň neztratili mnoho informací, pomocí racionálních odhadů, procesu zvaného Parametrizace.[Citace je zapotřebí ]

Kromě mnoha konkrétních aplikací jsou jednou z oblastí výzkumu metody přesného a efektivního řešení problémů modelování s více měřítky. Mezi primární oblasti matematického a algoritmického vývoje patří:

Viz také

Reference

  1. ^ Chen, Shiyi; Doolen, Gary D. (01.01.1998). "Lattice Boltzmann metoda pro proudění tekutin". Roční přehled mechaniky tekutin. 30 (1): 329–364. Bibcode:1998AnRFM..30..329C. doi:10.1146 / annurev.tekutina.30.1.329.
  2. ^ A b Steinhauser, M. O. (2017). Víceúrovňové modelování tekutin a pevných látek - teorie a aplikace. ISBN  978-3662532225.
  3. ^ Oden, J. Tinsley; Vemaganti, Kumar; Moës, Nicolas (1999-04-16). "Hierarchické modelování heterogenních pevných látek". Počítačové metody v aplikované mechanice a strojírenství. 172 (1): 3–25. Bibcode:1999CMAME.172 .... 3O. doi:10.1016 / S0045-7825 (98) 00224-2.
  4. ^ Zeng, Q. H .; Yu, A. B .; Lu, G. Q. (2008-02-01). "Víceúrovňové modelování a simulace polymerních nanokompozitů". Pokrok ve vědě o polymerech. 33 (2): 191–269. doi:10.1016 / j.progpolymsci.2007.09.002.
  5. ^ Baeurle, S.A. (2008). „Víceúrovňové modelování polymerních materiálů s využitím teoreticko-teoretických metodik: Průzkum o nejnovějším vývoji“. Journal of Mathematical Chemistry. 46 (2): 363–426. doi:10.1007 / s10910-008-9467-3.
  6. ^ Kmiecik, Sebastian; Gront, Dominik; Kolinski, Michal; Wieteska, Lukasz; Dawid, Aleksandra Elzbieta; Kolinski, Andrzej (2016-06-22). „Hrubozrnné proteinové modely a jejich aplikace“. Chemické recenze. 116 (14): 7898–936. doi:10.1021 / acs.chemrev.6b00163. ISSN  0009-2665. PMID  27333362.
  7. ^ A b Levitt, Michael (2014-09-15). "Vznik a budoucnost multiscale modelování pro makromolekulární systémy (Nobelova přednáška)". Angewandte Chemie International Edition. 53 (38): 10006–10018. doi:10,1002 / anie.201403691. ISSN  1521-3773. PMID  25100216.
  8. ^ A b C Karplus, Martin (15. 9. 2014). „Vývoj víceúrovňových modelů pro komplexní chemické systémy: od H + H2 po biomolekuly (Nobelova přednáška)“. Angewandte Chemie International Edition. 53 (38): 9992–10005. doi:10,1002 / anie.201403924. ISSN  1521-3773. PMID  25066036.
  9. ^ A b Warshel, Arieh (2014-09-15). „Víceúrovňové modelování biologických funkcí: Od enzymů k molekulárním strojům (Nobelova přednáška)“. Angewandte Chemie International Edition. 53 (38): 10020–10031. doi:10,1002 / anie.201403689. ISSN  1521-3773. PMC  4948593. PMID  25060243.
  10. ^ De Pablo, Juan J. (2011). „Hrubozrnné simulace makromolekul: od DNA po nanokompozity“. Roční přehled fyzikální chemie. 62: 555–74. Bibcode:2011ARPC ... 62..555D. doi:10.1146 / annurev-physchem-032210-103458. PMID  21219152.
  11. ^ Knizhnik, A.A .; Bagaturyants, A.A .; Belov, I.V .; Potapkin, B.V .; Korkin, A.A. (2002). „Integrovaný kinetický přístup molekulární dynamiky Monte Carlo pro modelování a simulaci růstu filmu: depozice ZrO2 na povrchu Si“. Výpočetní věda o materiálech. 24 (1–2): 128–132. doi:10.1016 / S0927-0256 (02) 00174-X.
  12. ^ Adamson, S .; Astapenko, V .; Chernysheva, I .; Chorkov, V .; Deminsky, M .; Demchenko, G .; Demura, A .; Demyanov, A .; et al. (2007). "Multiscale multiphysics neempirický přístup k výpočtu světelných emisních vlastností chemicky aktivní nerovnovážné plazmy: Aplikace na systém Ar GaI3". Journal of Physics D: Applied Physics. 40 (13): 3857–3881. Bibcode:2007JPhD ... 40,3857 A.. doi:10.1088 / 0022-3727 / 40/13 / S06.
  13. ^ Horstemeyer, M. F. (2009). „Multiscale Modeling: A Review“. In Leszczyński, Jerzy; Shukla, Manoj K. (eds.). Praktické aspekty výpočetní chemie: metody, koncepty a aplikace. str. 87–135. ISBN  978-90-481-2687-3.
  14. ^ Horstemeyer, M. F. (2012). Integrované výpočetní materiálové inženýrství (ICME) pro kovy. ISBN  978-1-118-02252-8.
  15. ^ Tadmore, E.B .; Ortiz, M .; Phillips, R. (1996-09-27). "Kvasikontinuální analýza defektů v pevných látkách". Filozofický časopis A. 73 (6): 1529–1563. Bibcode:1996PMagA..73.1529T. doi:10.1080/01418619608243000.

Další čtení

  • Hosseini, SA; Shah, N (2009). "Víceúrovňové modelování předúpravy hydrotermální biomasy pro optimalizaci velikosti čipu". Technologie biologických zdrojů. 100 (9): 2621–8. doi:10.1016 / j.biortech.2008.11.030. PMID  19136256.
  • Tao, Wei-Kuo; Chern, Jiun-Dar; Atlas, Robert; Randall, David; Khairoutdinov, Marat; Li, Jui-Lin; Waliser, Duane E .; Hou, Arthur; et al. (2009). "Víceúrovňový systém modelování: vývoj, aplikace a kritické problémy". Bulletin of the American Meteorological Society. 90 (4): 515–534. Bibcode:2009 BAMS ... 90..515T. doi:10.1175 / 2008 BAMS2542.1. hdl:2060/20080039624.

externí odkazy