Моделирование кинетических явлений в многокомпонентных и многофазных системах

Цель проекта:
1. Разработка новых и совершенствование существующих программ для высокопроизводительного моделирования физических систем методами частиц, включая молекулярную динамику и стохастические методы. Применение графических процессоров для увеличения производительности моделирования физических систем методами частиц. Получение новых данных о процессах дефектообразования, переноса, взаимодействия фаз и компонентов в физических системах с использованием физического моделирования.
2. Разработка теоретических и вычислительных методов описания существенно неравновесных вращающихся газовых систем.
3. Показать целесообразность и перспективность совместного использования классического линейного анализа па морфологическую устойчивость и расчета производства энтропии для прогнозирования поведения фазовой границы на примере двух базовых и широко используемых модельных задач: роста сферического пузырька пара в перегретой жидкости и эволюции границы раздела двух жидкостей при вытеснении в ячейке Хеле-Шоу.
4. Целью проекта является построение моделей транспорта веществ в клетках и формирование на этой основе системного подхода к этой проблеме на стыке наук: физики, кибернетики и биологии.

Актуальность:1. Вычислительное моделирование является одним из важнейших инструментов исследования и прогнозирования характеристик неравновесных процессов в физических системах. В рамках настоящего проекта осуществляются разработка, совершенствование и практическое применение методов частиц (молекулярная динамика, стохастическое моделирование) для исследования неравновесных процессов дефектообразования. переноса, взаимодействия компонентов и фаз в физических системах различной природы. Для моделирования сложных систем и процессов необходимо добиваться максимально высокой производительности вычислений. Перспективным методом увеличения производительности является распараллеливание расчётов с использованием графических процессоров.2. При описании процессов переноса в быстровращающихся системах как правило, используется предположении о слабом возмущении равновесного состояния квазитвердого вращения. Такой подход корректно работает для газов с относительно больной молекулярной массой, но может приводить к ошибкам для более легких газов. В рамках проекта рассматриваются процессы переноса в существенно неравновесных системах.3. Исследование задачи о росте парового пузыря при кипении в рамках линейной теории возмущений предсказывали морфологическую устойчивость поверхности пузыря к бесконечно малым возмущениям. Однако, экспериментальные исследования но взрывному вскипанию капли n-бутана в этилепгликоле и при кипении в условиях микрогравитацнн фреона-113 демонстрируют неустойчивость поверхности пузыря, его поверхность становится шероховатой при увеличении ра меров. Для объяснения наблюдаемой неустойчивости вводились существенные усложнения в модель, чтобы объяснить возникшие противоречия между экспериментами и теорией. При этом ограниченность линейного анализа на устойчивость не принималась во внимание. Подобные проблемы существуют и при исследовании морфологической устойчивости границы двух жидкостей при вытеснении в ячейке Хелс-Шоу. Предлагаемый в проекте расчет морфологической устойчивости, основанный на принципе максимума производства энтропии, и численный анализ задачи о морфологической устойчивости по отношению к возмущениям произвольной амплитуды способны решить противоречия, которые существуют в настоящее время в исследованиях механизма развития формы границы.4. Механизмы регуляции транспорта веществ в клетках (в том числе - искусственных) остаются во многом неясными. Планируемое в рамках проекта системное моделирование транспорта веществ позволит выявить эффективные стратегии, которыми пользоваться клетки. Это не только позволит понять общие закономерности транспортных систем в клетках, но и создаст теоретические предпосылки для создания искусственных клеток.