Hochleistungsrechencluster (HPC-Cluster)
Final Report Abstract
Für die Arbeitsgruppe „Computergestützte Materialwissenschaft“ am Institut für keramische Hochleistungswerkstoffe der TUHH und die darin durchgeführten atomaren Materialmodellierungen stellt der geförderte Rechencluster eine wesentliche Möglichkeit dar, die nötigen Simulationen und Analysen durchzuführen. Diese Arbeiten werden maßgeblich im Rahmen des SFB 986 „Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme“ durchgeführt. Die angewandten Methoden wie Dichtefunktionaltheorie, Clusterentwicklung und Tools zur Vor- und Nachbereitung der Simulationen erfordern zwingend den Einsatz eines Massiv-Parallelrechners mit beträchtlichem Arbeitsspeicher, um Observable von den zu untersuchenden Materialsystemen mit hinreichender Genauigkeit bestimmen und vorhersagen zu können. Mit der geförderten Recheninfrastruktur werden hier unterschiedliche Materialsysteme und Fragestellungen behandelt von Modellsystemen für Hybridsysteme (insbes. Metall/Keramik/Polymer-Systeme) bis zu sogenannten Super-Alloys. Dabei werden zum Beispiel Adsorptions-, Kopplungs- und Ordnungsphänomene untersucht. Ein wesentlicher Fragenkomplex, der mit dem geförderten Rechencluster bearbeitet werden konnte und wird, umfasst die Adsorption von organischen Molekülen auf Oxidoberflächen wie Titandioxid. Diese Systeme versprechen bzw. haben bereits vielfältige Anwendungsmöglichkeiten von Hybridsystemen mit außerordentlichen Materialeigenschaften bis zu Katalyseverfahren. Die Dichtefunktionaltheorie erlaubt hier eine präzise Untersuchung der Effekte aufgrund der Wechselwirkung zwischen Adsorbaten und Oberflächen wie Adsorptionsgeometrien und der Energetik. Des Weiteren wird zum Beispiel der Einfluss von Adsorbaten auf die Form von Nanopartikeln untersucht sowie die Ordnung und der Einfluss von Fehlstellen in Oxiden. Da diese Analysen eine sehr große Anzahl an Rechnungen bedingen, war der geförderte Rechencluster unabkömmlich. Im Institut für Geotechnik und Baubeitreb wurde das HPC-Cluster zur numerischen Simulation physikalischer Prozesse im trockenen, teilgesättigten und gesättigten Boden mit Kontinuumsmodellen (FEM, SPH, MPM), Partikelmodellen (DEM) und Mehrskalenmodellen (CFD-DEM) intensiv eingesetzt. Wegweisende Fortschritte wurden vor allem bei der Simulation der Eindringung von Strukturen verschiedener Geometrien in den trockenen und gesättigten Boden auf der Grundlage der FEM mit gekoppeltem Euler-Lagrange-Ansatz erzielt, bei der Simulation des teilgesättigten Bodens mit der FEM und bei der Simulation großer Bodenverformungen mit der SPH erzielt. Am Institut für Technische Thermodynamik werden in grundlagenorientierten und anwendungsbezogenen Forschungsprojekten verschiedene Aspekte von thermofluiddynamischen Systemen untersucht. Schwerpunkte stellen die dynamische Modellierung großer Energiesysteme sowie die Berechnung von Strömungsverlusten dar. Hierzu werden kommerzielle Softwarepakete wie Star-CCM+, Comsol und Dymola eingesetzt. Insbesondere die Anwendung der Direkten Numerischen Simulation (DNS) mit dem OpenSource Programm OpenFoam erfordert eine hohe Rechenleistung, sodass der Einsatz eines HP-Rechenclusters notwendig ist. Das vom Rechenzentrum der TUHH betriebene HP-Cluster hat somit insbesondere bei der Bearbeitung von Forschungsprojekten zur Untersuchung von Eisbildung in Kraftstoffsystemen von Flugzeugen, der Berechnung von Strömungsverlusten in verschiedenen Bauteilen sowie bei der Berechnung turbulenter Strömungen in porösen Materialen einen wichtigen Beitrag geleistet. Im Institut für Thermische Verfahrenstechnik wurde das Gerät für Molekulardynamik (MD) Simulationen verwendet um vorgefertigte Mizellenstrukturen zu equilibrieren. Die Strukturen werden benötigt um mit einem anderen Modell (COSMOmic) Verteilungskoeffizienten vorherzusagen. In einem Projekt wurde der Einfluss der Mizellen-Struktur und -Größe auf diese Berechnungen untersucht. Daher musste eine Vielzahl von Mizellen mit unterschiedlichen Größen und aus unterschiedlichen Tensiden mithilfe von MD-Simulationen auf dem Rechencluster erzeugt werden. Des Weiteren wurden sogenannte „alchemical“ MD- Simulationen durchgeführt, mit Hilfe dieser Simulationen konnten freie Energien für den Transfer eines Tensid in Wasser und in eine Mizellen berechnet werden. Aus diesen Größen kann direkt die kritische Mizellenkonzentration berechnet werden. Diese Konzentrationen ist einer der wichtigsten Eigenschaften von mizellaren Systemen, daher liefert die Vorhersage einen wichtigen Beitrag zum besseren Verständnis von Mizellen. Freie Energien wurden auch für Cyclodextrin-Systeme berechnet. Einmal für den Transfer von Cyclodextrinen in Wasser und für die Bildung von Alkohol-Cyclodextrin Komplexen. Da MD-Simulationen auf der atomistischen Ebene arbeiten und somit Systeme von mehreren 10.000 Partikeln untersucht werden, sind diese Simulationen nur auf Großrechnern durchführbar.
