Т. 326, № 8

PADME - новый код для моделирования процесса формирования георесурсов планет на гетерогенных вычислительных системах

Актуальность работы. В последние годы было обнаружено большое количество планет, но возникают сложности с объяснением того, как они образуются. До недавнего времени единственным объектом для наблюдения являлась Солнечная система, и все гипотезы формирования планет основывались именно на этих наблюдениях. Со временем образовалось достаточно четкое понимание того, как происходило формирование Солнечной системы, но, тем не менее, остаются некоторые сомнения, так как неизвестно, что было в начале этого процесса, а что было приобретено позднее. Кроме того, сформировавшиеся представления зачастую не могут объяснить особенностей других планетных систем. Также очень важен вопрос поиска планет земного типа. Даже если какая-то экзопланета будет обладать схожими с Землей характеристиками, нельзя однозначно утверждать, что мы нашли "вторую Землю", так как внутренний, геологический, состав может существенно отличаться. Яркий пример тому - Венера. Другой актуальный вопрос - освоение георесурсов не только соседних планет и астероидов, но в скором времени и более удаленных. Если заранее удастся узнать какими полезными ископаемыми обладает тот или иной космический объект, то можно существенно сократить расходы на анализ грунта с помощью дорогостоящих космических аппаратов. Поэтому важно знать не только кинематические параметры планет, но и их внутренний состав. Таким образом, актуальным становится вопрос о моделировании химокинетических процессов уже на ранних стадиях эволюции планетной системы. Математическое моделирование наравне с наблюдением может помочь найти ответы на этот вопрос. Но вычислительная астрофизика, как и многие другие области науки, очень требовательна к ресурсам компьютерных систем, если необходимо получить высококачественное решение. Поэтому вопрос разработки новых численных методов и математических моделей также актуален, как и более эффективное использование имеющихся вычислительных мощностей для уже существующих методов. Цель исследования: разработка нового метода для моделирования процесса планетообразования в 3D2V постановке на основе двухфазного подхода, адаптированного для использования в гетерогенных вычислительных системах, оснащенных графическими ускорителями с поддержкой технологии NVIDIA CUDA. Методы исследования. Для моделирования газовой компоненты используется метод крупных частиц Белоцерковского-Давыдова, модифицированный с использованием метода Годунова. Пылевая компонента описывается системой N тел, динамика которой просчитывается Particle-Mesh методом. Для повышения точности моделирования динамики частиц используется подход Clouds-in-Cells. Уравнение Пуассона для гравитационного потенциала решается методом быстрого преобразования Фурье. Результаты. Разработан новый метод для моделирования процесса планетообразования. Представлены результаты тестирования. Газодинамическая часть была проверена на модельных задачах газовой динамики, а оценка правильности решения уравнения Пуассона выполнена на функции с известным распределением потенциала. Также приведен результат моделирования газопылевого диска с образованием уплотнения из газа и пыли, которое можно интерпретировать как протопланету. Показана целесообразность использования графических ускорителей для такого рода задач.

Ключевые слова:

электронный ресурс, математическое моделирование, вычислительная астрофизика, гравитационная газовая динамика, планетообразование, внутреннее строение, планеты, параллельные численные методы, гетерогенные вычислительные системы, GPGPU, CUDA,

Авторы:

Протасов Виктор Александрович

Куликов Игорь Михайлович

Скачать PDF