Linux-Cluster
Final Report Abstract
Der HPC-Cluster wurde vom Lehrstuhl für Material- und Prozesssimulation für die numerische Untersuchung und Optimierung von Materialeigenschaften und Phasenumwandlungen in Mehrkomponenten-/Mehrphasen-Systemen verwendet. Dabei wurden Simulationen auf verschiedenen Skalen durchgeführt. Mit Phasenfeldsimulationen lassen sich Phasenumwandlungsprozesse auf Längenund Zeitskalen untersuchen, die die Möglichkeiten anderer grundlagenbasierter Simulationsmethoden deutlich übersteigen (Systemgrößen bis zum Millimeterbereich sind möglich). Bei den Phasenfeldsimulationen können Phasenwachstum, chemische Zusammensetzungen, Wärmeverteilung und mechanische Eigenschaften eines Materials orts- und zeitaufgelöst analysiert werden. Im Rahmen der Phasenfeldsimulationen wurden zum Beispiel metallische Mischphasen für die Entwicklung von robusten Flugzeugturbinen aber auch Kathodenmaterialien für Li-Ionen-Akkus und Transportvorgänge bei der Siliziumkristallisation untersucht. Daneben wurden mit anderen Simulationsmethoden Untersuchungen auf kleineren Längenskalen durchgeführt. Mit selbstkonsistenter Phasenfeldrechnung wurden intelligente Hydrogele simuliert, die zum Beispiel für die Sensortechnik und intelligente Medikamentenapplikation wichtig sind. Weiterhin wurden Molekulardynamiksimulationen für die Untersuchung von Biokristallisation und Quasikristalle verwendet sowie quantenmechanische Dichtefunktionaltheorierechnungen für die Untersuchung von thermoelektrischen Materialien. Für fast alle Verfahren wurden massiv parallele Rechnungen durchgeführt, um große Systemgrößen, aufwendige Algorithmen oder umfangreiche Parameter-Felder zu bewältigen. Einzelrechnungen liefen im Bereich von mehreren Stunden bis hin zu vier Wochen und mehr. Einer der Forschungsbereiche, in denen der Computer-Cluster eine wesentliche Rolle spielt, ist die Untersuchung turbulenten Transports in magnetisierten Hochtemperaturplasmen mit einem Fokus auf für die Kernfusion relevanten Plasmen. Aufgrund der stoßfreien Natur des Plasmas ist eine kinetische Beschreibung erforderlich und es wurde ein Computer-Code entwickelt, der auf dem gyro-kinetischen Modell basiert. Der Code integriert eine fünf-dimensionale (3 Raum und 2 Geschwindigkeitsraum) Verteilung in die Zeit. Der erforderliche Rechenaufwand ist dementsprechend beträchtlich, mit Läufen im Bereich 5k - 1M CPU-Stunden. Diese Berechnungen sind deswegen nur durch einen massiven parallelen Ansatz möglich. Das entwickelte Software-Tool verfügt über eine nahezu perfekte Skalierung auf dem Cluster und erlaubt Rechnungen mit bis zu 8000 CPUs. Der HPC-Cluster hat viele verschiedene Studien ermöglicht; besonders erfolgreich waren die Untersuchungen der sogenannten Eigenrotation ('intrinsic rotation'). Dies ist von großem Interesse, weil eine Plasma-Bewegung zur Reduzierung der Turbulenz und damit zu verbessertem Energie-Einschluss führen kann. Eine Selbstorganisation erfolgt in einem Fusionsplasma, das selbst in Abwesenheit von externen Impulsquellen zu einer Plasma-Bewegung führt. Es kann gezeigt werden, dass diese Eigendrehung auftritt, wenn eine Symmetrie in den Modellgleichungen gebrochen ist. Dies ermöglicht es, die Mechanismen zu identifizieren, die zu Eigenrotation führen können. Einige dieser Mechanismen wurden im Detail untersucht: Profil-Effekte, höhere Ordnung paralleler Ableitungen, die Geschwindigkeit-nicht-Linearität, neo-klassischer Hintergrund. Darüber hinaus wurden Vergleiche mit Experimenten am NSTX in Princeton sowie ASDEX-Upgrade in Garching bei München gemacht. Auch wenn die Forschung noch nicht abgeschlossen ist, hat sich das Verständnis von Plasma-Rotation in den letzten Jahren erheblich verbessert. Ein weiterer Schwerpunkt, bei dem ein großer Fortschritt durch numerische Simulationen erzielt worden ist, ist die Wechselwirkung zwischen kleinskaligen Turbulenzen und großskaligen Instabilitäten. Der Fokus liegt hier auf der so genannten 'Tearing Mode', einer Instabilität, die die Magnetfeldtopologie durch eine Wiederverbindung der magnetischen Feldlinien verändert und die zu einer Inselstruktur in der Magnetfeld-Fläche führt. Tearing Moden führen in Fusionsplasmen zu einer Begrenzung des erreichbaren Plasmadrucks und werden deswegen intensiv untersucht. Obwohl die Längenskalen der Turbulenz und der Tearing Mode sehr unterschiedlich sind, stellt sich heraus, dass die Wechselwirkung zwischen Instabilität und Turbulenz nicht vernachlässigbar ist. Die Turbulenz kann Energie an die Tearing Mode übertragen und ein sehr schnelles Wachstum dieser Mode hervorbringen. Dies passiert immer in der Anfangsphase und unter bestimmten Bedingungen auch zu späteren Zeitpunkten. Die Turbulenzen führen aber nicht nur zu Inselwachstum. Die Magnetfeldschwankungen, die durch die Turbulenz erzeugt werden, führen auch zu einem stochastischen Magnetfeld um die Separatrix der Insel, was eine effektive Reduzierung ihrer Größe bewirkt. Die AG Ullmann setzte den HPC-Cluster für die theoretische Untersuchung biochemischer Mechanismen ein. Dabei kamen Methoden zum Einsatz, in denen quantenchemische Rechnungen und molekularmechanische Rechnungen (QM/MM-Simulationen) kombiniert wurden. Außerdem wurden elektrostatische Rechnungen und Monte-Carlo-Simulationen durchgeführt. Mit den QM/MM-Simulationen konnten wir unter anderem den Mechanismus eines ungewöhnlichen Glycyl-Radikal-Enzymes aufklären, das eine chemisch sehr schwierige Reaktion katalysiert. Dafür mussten eine Vielzahl von alternativen Reaktionspfaden untersucht werden. Ohne den Einsatz des HPC-Clusters wäre aufgrund des hohen Rechenaufwandes diese Untersuchung nicht möglich gewesen. Der Rechner wird im Moment für die Untersuchung der Mechanismen einer Reihe weiterer Enzyme genutzt.
Publications
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Phase- Field Modeling of the Coarsening in Multicomponent Systems” Metallurgical and Materials Transactions A, 45, 1068-1084 (2014)
J. Kundin, J. Rezende and H. Emmerich
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„Bridging the phase-field and phase-field crystal approaches for anisotropic material systems” Eur. Phys. J. Special Topics, 223, 363-372 (2014)
J. Kundin, M. A. Choudhary and H. Emmerich
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„Investigation of Al-Cu-Ni alloy solidification: thermodynamics, experiments and phase-field modeling” Eur. Phys. J. Special Topics, 223, 567-590 (2014)
J. Kundin, P. Wang, H. Emmerich and R. Schmid-Fetzer
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“Ab initio study of domain structures in half-metallic CoTi1-xMnxSb and thermoelectric CoTi1-xScxSb half-Heusler alloys“ J. Alloys Comp. 650, 728 (2015)
J. Miranda Mena, H. Schoberth, T. Gruhn, and H. Emmerich
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“Effect of Re on directionalcoarsening in commercial single crystal Ni-base superalloys: A phase field study“ Acta Materialia, 93, 60-72 (2015)
Mushongera L.T., Fleck M., Kundin J., Wang Y. and Emmerich H.
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„Miscibility gap in the phase diagrams of thermoelectric half-Heusler materials CoTi1-xYxSb (Y = Sc, V, Mn, Fe)“ J. Electron. Mater. (2015)
J. Miranda Mena, E. Rausch, S. Ouardi, T. Gruhn, G. H. Fecher, H. G. Schoberth, H. Emmerich and C. Felser
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„Numerical investigation of the interaction between the martensitic transformation front and the plastic strain in austenite” Journal of the Mechanics and Physics of Solids, 76, 63-83 (2015)
J. Kundin, E. Pogorelov and H. Emmerich
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„Phase-field study of anisotropic gamma'-coarsening kinetics in Nibase superalloys with varying Re and Ru contents” Advanced Engineering Materials, 17, 1149-1157 (2015)
L. T. Mushongera, M. Fleck, F. Querfurth, J. Kundin and H. Emmerich
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„Ab initio-based Monte Carlo and mean field studies of phase separated αNiSn (α = Ti1-xHfx, Ti1-xZrx, Hf1-xZrx) compounds with C1b structure” Acta Materialia, 111, 157-165 (2016)
J. Miranda Mena, H. G. Schoberth, T. Gruhn and H. Emmerich
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„Phase-field simulations of particle capture during the directional solidification of silicon” Journal of Crystal Growth, 446, 12-26 (2016)
H. Aufgebauer, J. Kundin, H. Emmerich, M. Azizi, Ch. Reimann, J. Friedrich, T. Jauß, T. Sorgenfrei and A. Cröll
