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基于lammps的煤纳米孔隙中甲烷吸附/解吸和流动规律研究

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煤田地质与勘探 2023年第4期51卷 37-45页

作者：石钰刘洋薛俊华李树刚张超西安科技大学安全科学与工程学院陕西西安710054 西安科技大学西部矿井开采及灾害防治教育部重点实验室陕西西安710054

基于lammps(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)分子动力学方法,研究煤纳米孔隙中驱动力、孔径、温度和压力对甲烷吸附/解吸和流动的影响规律。结果表明,随着驱动力增加,甲烷分子黏度逐渐减小,流动性增强,流... 详细信息

基于lammps(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator)分子动力学方法,研究煤纳米孔隙中驱动力、孔径、温度和压力对甲烷吸附/解吸和流动的影响规律。结果表明,随着驱动力增加,甲烷分子黏度逐渐减小,流动性增强,流动速度增大,滑移长度绝对值逐渐减小,流动趋近于无滑移状态。甲烷的吸附密度与驱动力无关,主要受气−固作用影响。甲烷在流动过程中会吸附于煤孔隙壁面,当煤孔径较小时,甲烷几乎全部吸附,无游离态甲烷。增大煤孔径,壁面范德华力对游离态甲烷影响减弱,甲烷流动速度增大,孔隙内出现大量游离态甲烷,甲烷由单峰分布转为2个对称的双峰分布。大孔径中甲烷黏度较低,流动性好,Hagen-Poiseuille方程更适用于较大孔径中的甲烷流动。升高温度,甲烷分子热运动增强,吸附层密度降低,甲烷流动速度增加,煤孔隙壁上吸附态甲烷解吸为游离态甲烷,甲烷流量增大。增大压力,孔隙内甲烷数量逐渐增多,甲烷分子间强烈的相互碰撞使得甲烷流动阻力增大,流速减小。从微观角度通过建立更加真实的模型阐明了煤纳米孔隙中甲烷吸附/解吸和流动机制,研究结果可为工程应用中促进甲烷解吸、提升煤层气开采效率提供理论基础。

关键词：煤纳米孔隙甲烷流动 lammps 分子动力学

基于OpenCL的lammps短程力算法优化研究

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计算机工程与科学 2015年第9期37卷 1614-1620页

作者：赵成龙施慧彬俞忻峰南京航空航天大学计算机科学与技术学院江苏南京210016 南京理工大学计算机科学与技术学院江苏南京210094

lammps是用于分子动力学模拟及其相关问题的一款开源软件,可利用其了解固体、液体性质,应用广泛。支持使用CUDA及OpenCL进行GPU加速。因OpenCL具有跨平台特性,将其作为研究重点。总结了OpenCL内核编程中需要注意的设计原则并阐述了一种... 详细信息

lammps是用于分子动力学模拟及其相关问题的一款开源软件,可利用其了解固体、液体性质,应用广泛。支持使用CUDA及OpenCL进行GPU加速。因OpenCL具有跨平台特性,将其作为研究重点。总结了OpenCL内核编程中需要注意的设计原则并阐述了一种改进的阿姆达尔定律用于衡量异构平台理论加速性能。测试了lammps短程力计算在Y485P平台下的性能参数。通过对短程力计算中的关键部分如邻接表的建立及短程力计算部分的内核代码进行优化,使其取得了更好的加速效果。

关键词： GPU lammps OpenCL 分子动力学短程力内核优化

GPU并行计算集群上的lammps分子动力学模拟性能测试

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计算机与应用化学 2011年第10期28卷 1229-1233页

作者：李伯杨聂峰光李晓霞郭力中国科学院过程工程研究所多相复杂系统国家重点实验室北京100190 中国科学院研究生院北京100049

近年来GPU作为一种具有极强运算能力的多核处理器,得到了快速的发展,成为高性能计算领域的主要发展方向。各种分子动力学模拟的主流软件也纷纷使用GPU技术,其中lammps较早地开发出了通用的并行GPU版本。本文利用nVIDIA公司最新Femi架构... 详细信息

近年来GPU作为一种具有极强运算能力的多核处理器,得到了快速的发展,成为高性能计算领域的主要发展方向。各种分子动力学模拟的主流软件也纷纷使用GPU技术,其中lammps较早地开发出了通用的并行GPU版本。本文利用nVIDIA公司最新Femi架构的Tesla C2050 GPU搭建了小型的基于lammps的分子动力学模拟GPU并行计算集群,通过氩原子熔化的算例对集群性能进行了测试,测试的内容包括CPU集群、单节点单GPU、单节点多GPU以及多节点GPU集群。比较了各种情况的加速倍数并对造成性能改变的原因进行了讨论,分析了用于MD模拟的GPU并行计算集群性能的瓶颈所在,提出可能的解决方法,搭建集群时,充分考虑PCI总线的承受能力,对于集群效率的提高有很大好处。测试结果表明,集群的性能较高,相对于以往的单机以及CPU集群,计算的规模大大提高了,加速比也在20倍以上。可以预测,在未来一段时间内,多GPU并行是分子动力学模拟的发展方向。

关键词： GPU lammps 并行计算

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混合模型下lammps并行探究

微电子学与计算机 2014年第10期31卷 143-146页

作者：豆育升刘相金白明泽孙延维重庆邮电大学计算机科学与技术学院重庆400065

面对分子动力学模拟在串行计算上的速度瓶颈问题,设计一种并行计算模型来加快计算速度,在分子动力学模拟软件lammps下引入MPI+OpenMP并行模型,这个模型可以在lammps下提供两级并行处理,充分利用集群优势,提高模拟计算速度.实验结果表明... 详细信息

面对分子动力学模拟在串行计算上的速度瓶颈问题,设计一种并行计算模型来加快计算速度,在分子动力学模拟软件lammps下引入MPI+OpenMP并行模型,这个模型可以在lammps下提供两级并行处理,充分利用集群优势,提高模拟计算速度.实验结果表明,在十节点下,采用并行模型加速比至少提高8倍以上.

关键词：分子动力学集群 MPI+OpenMP 消息传递 lammps

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基于lammps的分子动力学模拟

基于LAMMPS的分子动力学模拟

作者：谢立莉吉林大学

学位级别：硕士

分子动力学(MD)是基于经典力学的一种计算方法,主要依据分子的力场来计算分子的各种特性。分子动力学模拟是近年来飞速发展的一种分子模拟方法,已经被广泛应用在化学化工、物理、生物医药等科学和技术领域。此方法常用来研究不能用解析... 详细信息

分子动力学(MD)是基于经典力学的一种计算方法,主要依据分子的力场来计算分子的各种特性。分子动力学模拟是近年来飞速发展的一种分子模拟方法,已经被广泛应用在化学化工、物理、生物医药等科学和技术领域。此方法常用来研究不能用解析方法来解决的复合体系的微观属性和力学性质,是理论与实验之间的桥梁。本文即用MD模拟来探究甲烷与聚合物的微观特性,具体内容如下:第一部分内容:使用lammps软件,利用分子动力学模拟技术对甲烷在NVT系综下进行研究。将所得径向分布函数、均方位移、速度自相关函数及扩散系数等微观特性与实验结果和其他研究者的数值结果进行对比,并对结果进行分析。模拟结果表明,我们的结果与实验结果高度一致,MD模拟可以很好的预测甲烷的径向分布函数和扩散系数等微观性质。研究结果让我们对甲烷的微观属性有了进一步的认识。第二部分内容:我们对具有相同化学结构的一种星型聚合物(star polymer)进行分子动力学模拟。在模拟过程中,star polymer的每个分子被视为单个粗粒化(CG)粒子并针对它的三种情形在NVT系综下进行模拟,从而得到粗粒化作用下的微观轨迹,与现有的文献进行对照得到很好的结果,并对三种情形分别进行数据分析。研究结果表明star polymer在粗粒化下的模拟是可行的。

关键词：分子动力学 lammps 甲烷 star polymer

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基于lammps的航空发动机叶片断裂研究

基于LAMMPS的航空发动机叶片断裂研究

作者：吴延松中国民航大学

学位级别：硕士

为了提高航空发动机的安全性,就需要全面考虑碎片运动特征,因此需要进行航空发动机转子叶片的断裂研究,为发动机的安全提供依据。本文考虑到涡轮转子叶片更加复杂的工作环境,选择航空发动机压气机转子叶片为研究对象。首先使用断裂力学... 详细信息

为了提高航空发动机的安全性,就需要全面考虑碎片运动特征,因此需要进行航空发动机转子叶片的断裂研究,为发动机的安全提供依据。本文考虑到涡轮转子叶片更加复杂的工作环境,选择航空发动机压气机转子叶片为研究对象。首先使用断裂力学理论分析了叶片的宏观断裂机理,又使用位错理论对叶片微观裂纹的萌生机理进行了研究分析。运用分子动力学软件大规模原子分子并行模拟器(Large-scale Atomic/Molecular Massively Parallel Simulator,lammps)中的近场动力学方法(Peridynamics,PD)探究航空发动机压气机转子叶片的微观断裂机理,分析了近场动力学方法和传统理论之间的关系。在研究叶片断裂问题时,叶片原子间势函数的研究至关重要。为了研究多元素合金的叶片断裂,本文将嵌入原子法引入到近场动力学方法中,采用嵌入原子势(EAM)的方法来计算近场动力学中的势函数,分析得到了运用嵌入原子法之后的近场动力学运动方程,对运动方程进行离散化计算,通过分析多元素合金嵌入原子势函数参数的确定来研究将嵌入原子法引入到近场动力学方法的可行性。最后,本文使用lammps中的近场动力学方法建立航空发动机转子叶片二维矩形平板模型和三维模型。使用VMD软件对计算结果进行可视化转化,并通过一系列的计算结果和应力应变曲线对叶片模型进行断裂仿真分析,分析得到了影响叶片断裂的主要因素,并对预防叶片失效断裂提出了相应的技术措施,为航空发动机的安全性研究提供依据。

关键词：航空发动机转子叶片断裂研究 lammps 近场动力学

面向“神威·太湖之光”的lammps对势优化与自适应技术研究

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面向“神威·太湖之光”的LAMMPS对势优化与自适应技术研究

作者：槐敏涵山东大学

学位级别：硕士

分子动力学(MD)模拟是用计算机依靠牛顿力学模拟分子或原子运动的方法,以微观粒子的运动反映整个系统的结构和性质,这对于获得理想实验条件下的实验结果有着重要的意义,它广泛的应用在多个领域,例如材料科学、化学和生物学。在众多分子... 详细信息

分子动力学(MD)模拟是用计算机依靠牛顿力学模拟分子或原子运动的方法,以微观粒子的运动反映整个系统的结构和性质,这对于获得理想实验条件下的实验结果有着重要的意义,它广泛的应用在多个领域,例如材料科学、化学和生物学。在众多分子动力学模拟软件中,lammps是最常用的模拟软件之一,它以丰富的力场、易扩展的开源代码等优势成为材料领域进行分子动力学模拟的最佳选择。然而由于lammps计算量大、计算密集的特点,它的优化一直是个热点问题。随着多核平台的发展,分子动力学软件耗时的缺陷正逐步得到解决。作为多核平台的“神威·太湖之光”是世界上最快的超级计算机之一,它强大的算力正适合用来运行计算量大、计算密集的lammps。自神威的发布以来,越来越多的科研工作者在神威上致力于对lammps的优化并取得了优异的成果。面对运行耗时的lammps和算力强大的神威平台,找到神威上优化lammps的最优方法以获得其在神威上的最佳性能是非常有必要的,这也是本文的目标。本文旨在于“神威·太湖之光”平台研究优化lammps对势的方法,主要贡献如下:第一,提出了新的优化方法并在神威上使用了两种优化方法对三种对势进行了优化。本文采取使用全邻接表的单端更新方法和使用半邻接表的双端更新方法来优化L-J/Smooth/Linear力场和Beck力场,这是首次在神威平台上优化上述力场。此外,在L-J/Cut力场上复现了单端更新方法并用双端更新方法优化。在这两种优化方法中,单端更新方式是在L-J/Cut力场上已有的优化方式,双端更新方式是本文新提出的方法。第二,对优化后的三种力场进行测试并对两种优化方法进行研究分析以得到对势的最佳通用优化方法。基于优化工作,本文以L-J/Cut力场、L-J/Smooth/Linear力场和Beck力场为例测试得出两种方法的优化性能,三种力场的最高加速比分别可达到16.9x、20.8x和29.7x。由于在前两种力场中单端更新方法占绝对优势但在Beck力场中双端更新方法开始显露出优势,本文分析并得出影响双端更新方法在前两力场性能表现的主要因素是此方法中存在频繁的写内存操作。接着,为了探究两种方法各自的优势,本文分析并测试得出结论:不同力场的计算量大小及cutoff、skin是影响两种方法性能的因素,计算量越大双端更新方法更具有优势,cutoff与skin的比例越大单端更新方式更为适合,以此得出在神威平台上对lammps对势优化的最佳方法。第三,设计并实现自适应系统。基于上述对势加速方法的分析,为了发挥两种方法在不同情况下各自的优势,本文设计并实现自适应系统,根据输入力场及条件自动的选择优化方法,从而获得lammps对势在神威平台上的最优性能。

关键词： HPC 分子动力学模拟 lammps 神威·太湖之光对势自适应系统

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基于KNL平台的lammps优化

数据与计算发展前沿 2017年第6期 21-25页

作者：李盼乐尚远黄标商建东郑州大学超级计算中心智慧城市研究院

Intel新一代处理器KNL作为一种具有极强运算能力的多核处理器,拥有16GB高速片上内存(MCDRAM),物理核心数量高达72个,单CPU的双精度浮点峰值为3TFlops,为高并行负载应用提供强大的性能支持。各种主流的并行软件也纷纷使用KNL众核、高速... 详细信息

Intel新一代处理器KNL作为一种具有极强运算能力的多核处理器,拥有16GB高速片上内存(MCDRAM),物理核心数量高达72个,单CPU的双精度浮点峰值为3TFlops,为高并行负载应用提供强大的性能支持。各种主流的并行软件也纷纷使用KNL众核、高速内存技术,由于lammps(large-scale atomic/molecular massively parallel simulator)在材料科学和计算化学中的广泛应用,因此在KNL节点上优化lammps成为相关领域近些年的研究热点。本文以郑州超算中心的KNL集群为平台,采用MCDRAM和第三方扩展包两种方法对lammps进行优化。MCDRAM可以加快CPU读取数据的速度,第三方扩展包从源码的角度对程序中的条件判断进行优化。试验结果表明,优化后的lammps执行时间明显减少,加速比可达49x,是CPU平台加速比的5.5x。

关键词： KNL 并行片上内存 lammps

lammps近场模块模拟含圆孔平板受拉伸载荷

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中国水运（下半月） 2022年第10期22卷 43-44页

作者：赵雅鑫上海理工大学环境与建筑学院上海200093

为借助近场动力学模型研究裂缝发展问题,文中以含圆孔平板受拉伸荷载为例,利用分子动力学软件lammps的近场模块对其进行建模计算,模拟了含圆孔平板受拉开裂全过程。结果表明:lammps近场模块可以有效实现近场动力学模型裂缝扩展模拟,且... 详细信息

为借助近场动力学模型研究裂缝发展问题,文中以含圆孔平板受拉伸荷载为例,利用分子动力学软件lammps的近场模块对其进行建模计算,模拟了含圆孔平板受拉开裂全过程。结果表明:lammps近场模块可以有效实现近场动力学模型裂缝扩展模拟,且在近场动力学模型模拟裂缝扩展时,无需预置裂缝也可以模拟其裂缝自发萌生和扩展的过程。

关键词： lammps 近场动力学裂纹扩展