Hochleistungscomputercluster für die Werkstoffwissenschaften und Physik
Zusammenfassung der Projektergebnisse
- Das Forschungsgerät wurde in zahlreichen Forschungsprojekten insbesondere in den Bereichen der Chemie/Biologie sowie den Ingenieurwissenschaften intensiv genutzt. Exemplarisch werden einige Projekte/Nutzergruppen vorgestellt, auf die über 60% der abgegebenen Rechenzeit entfallen. - In der computergestützten Biologie (Prof. R. Böckmann) hat das HPC-Cluster maßgeblich zu einem besseren Verständnis der Protein-Lipid-Wechselwirkung auf molekularer Längenskala beigetragen. Es konnte gezeigt werden, dass und wie Cholesterin die Dimerisierung des membrangebundenen Chemokin-Rezeptors CXCR4 verändert. Die gewonnenen neuen Einblicke in die Kopplung von Dimerisierung und Aktivierung könnten neue Wege für die Entwicklung von Wirkstoffen öffnen. - Die Gruppe von Prof. E. Bitzek nutzt den HPC-Cluster zur Durchführung massiv-paralleler atomistischer Simulationen mit 1-300 Mio. Atomen mittels semi-empirischen Vielkörperpotentiale. Ein Alleinstellungsmerkmal der Gruppe sind "experimentally-informed simulations", in denen Samples direkt aus experimentellen Tomographiedaten mit dementsprechenden Atomzahlen generiert werden. Rechnungen zum Verformungsverhalten von Ni-Basis Superlegierungen konnten erstmals experimentell beobachtete Strukturen und Mechanismen erklären. Die Nutzung des Erlanger HPC-Clusters bildete u.a. die Basis für einen erfolgreichen ERC Consolidator Grant. - Sowohl klassische Moleküldynamik (MD)-Simulationen als auch semiempirische Molekülorbital (MO) Theorie, Dichtefunktionaltheorie (DFT) und Wellenfunktion-basierte ab initio MO-Theorie werden von Prof. T. Clark und Kollegen benutz, um Fragestellungen aus der molekularen Elektronik und der Strukturbiologie der G-Protein-Gekoppelten Rezeptoren (GPCRs) zu untersuchen. Die semiempirische MO-Theorie wird für sehr große Systeme (bis zu 100.000 Atome) mit dem eigenen massiv-parallelen Programm EMPIRE durchgeführt. DFT und ab initio Berechnungen werden eingesetzt, um die Chemie der Kohlenstoffallotropen zu untersuchen. Klassische MD-Simulationen werden v.a. benutzt, um die Morphologie von elektronischen Bausteinen, die aus selbstassemblierten Monolagen bestehen, zu untersuchen. Das Gerät wurde in der Arbeitsgruppe von Prof. Görling in zahlreichen Projekten im Bereich der Chemie, Physik und Materialwissenschaften für elektronische Strukturrechnungen und Molekulardynamik-simulationen auf quantenmechanischer Basis insbesondere mittels Dichtefunktional-theorie eingesetzt. Bei den Rechnungen kamen quantenchemische Programmpaket wie Turbolmole oder Molpro sowie in der Festkörperphysik entwickelte Programme wie VASP zum Einsatz. Aufgrund der ungünstigen Skalierung des Rechenaufwandes quanten-mechanischer Rechnungen mit der Systemgröße ist der Rechenaufwand bei der Untersuchung praxisrelevanter Systeme sehr hoch und nur mit HPC-Rechnern möglich. - Das HPC-Cluster ermöglichte der Gruppe von Prof. S. Becker hochparallele Simulationen im Bereich der Aerodynamik, Aeroakustik und Fluid-Struktur-Akustik Interaktion, sowohl im Bereich der Grundlagenforschung als auch bei praktischen Anwendungsfällen. Zu Ersterem wurden hochaufgelöste Simulationen zum Vergleich von verschiedenen Ansätzen für die Berechnung von Strömungsschall durchgeführt. Außerdem wurden neue Methoden im Bereich der Fluid-Struktur-Interaktion an vereinfachten Geometrien, wie z.B. einem vereinfachten Fahrzeugmodell, entwickelt. In praxisnahen Simulationen von rotierenden Systemen wurden beispielsweise vertikale Kleinwindanlagen und Laufräder sowohl aerodynamisch, als auch aeroakustisch simuliert. - Im DFG-Projekt "Dynamik und Transport magnetischer Instabilitäten in Taylor-Couette-Strömungen" des Lehrstuhls für Strömungsmechanik bildet die Numerik die Brücke zwischen den bereits vorhandenen Experimenten und den Simulationen von Akkretionsscheiben. Ziel dieses Projekts ist die Untersuchung der nichtlinearen Eigenschaften der magnetischen Rotationsinstabilitäten in Strömungen zwischen zwei Zylindern. Das DFG-Projekt "Substrateinfluss auf strömungsinduzierte Partikelbewegung in laminarer Scherströmung" beschäftigt sich mit den kritischen Bedingungen des Einsatzes der Partikelbewegung eines oder mehrerer Partikel aufliegend auf einer Substratlage. Am Lehrstuhl für Systemsimulation wird hocheffiziente und hochskalierbare Software für verschiedenste CSE-Anwendungen entwickelt. Beispiele sind die Simulation von Gasblasen in einer Flüssigkeit für die Untersuchung von Proteinschäumen, die Simulation der optischen Eigenschaften von Dünnschichtsolarzellen zur Verbesserung der Leistung Solarzellen oder die Simulation von biologischen Mikroschwimmer zum besseren Verständnis ihres Schwarmverhaltens. Da alle diese Simulationen sehr rechenintensiv sind, können Sie nur auf entsprechendem Hochleistungsrechner durchgeführt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Transition to magnetorotational turbulence in Taylor-Couette flow with imposed azimuthal magnetic field, New Journal of Physics, 17 (9)
Guseva, A., Willis, A.P., Hollerbach, R., Avila, M.
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(2014) "Fracture toughness and bond trapping of grain boundary cracks", Acta Materialia 73 1-11
J.J. Möller, E. Bitzek
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On the Energetics of Conformational Switching of Molecules at and Close to Room Temperature. J. Am. Chem. Soc. 136, 1609 (2014)
S. Ditze, M. Stark, F. Buchner, A. Aichert, N. Jux, N. Luckas, A. Görling, W. Hieringer, J. Hornegger, H.-P . Steinrück, H. Marbach
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"Atom probe informed simulations of dislocation–precipitate interactions reveal the importance of local interface curvature", Acta Materialia, 92, 33 (2015)
A. Prakash, J. Guénolé, J. Wang, J. Müller, E. Spiecker, M.J. Mills, I. Povstugar, P. Choi, D. Raabe, E. Bitzek
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Binding Characteristics of Sphingosine-1-Phosphate to ApoM hints to Assisted Release Mechanism via the ApoM Calyx-Opening. Scientific Reports 6:30655 (2016)
H. Zhang, K. Pluhackova, Z. Jiang, and R.A. Böckmann
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Dynamic Cholesterol-conditioned Dimerization of the G Protein Coupled Chemokine Receptor Type 4. PLOS Comp. Biol 12(11):e1005169 (2016)
K. Pluhackova, S. Gahbauer, F. Kranz, T.A. Wassenaar, and R.A. Böckmann
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Lattice Boltzmann methods in porous media simulations: From laminar to turbulent flow, Computers & Fluids, 2016
Fattahi, Waluga, Wohlmuth, Rüde, Manhart, Helmig
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Molecular docking sites designed for the generation of highly crystalline covalent organic frameworks, Nature Chemistry, 2016, 8, 310-316
L. Ascherl, T. Sick, J. T. Margraf, S. H. Lapidus, M. Calik, C. Hettstedt, K. Karaghiosoff, M. Döblinger, T. Clark, K. W. Chapman, F. Auras and T. Bein
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“Hybrid Aeroacoustic Methods for Broadband Noise Calculation”, Dissertation, 2016
Scheit, Becker et. al.
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„CAA of an Air-Cooling System for Electronic Devices“, Advances in Acoustics and Vibration, 2016
Münsterjohann et al.
