Please use this identifier to cite or link to this item: http://doi.org/10.25358/openscience-2808
Authors: Stalter, Stefanie
Title: Untersuchung von MD-Simulationen im Rahmen von Hybrid-Schemata zur Beschreibung komplexer Flüssigkeiten
Online publication date: 7-Jan-2019
Year of first publication: 2019
Language: german
Abstract: Several types of simulations permit an insight into the dynamics and the intrinsic properties of a system, according to the underlying algorithms and simulated time and length scales. Depending on the type of simulation and the coarse graining of the physical system, we gain access to a specific set of dynamics, and therefore a specific set of physical properties. Each type of simulation has its respective advantages and disadvantages. To profit from the advantages and simultaneously compensate the disadvantages of certain simulation types, the Heterogenous Multiscale Method combines the molecular accuracy of a particle-based Molecular Dynamics simulation with the computational efficiency of a continuum-type method, Computational Fluid Dynamics. In the present thesis, we present a multiscale method to accurately describe the flow behaviour of soft matter fluids on large length scales. For every time step of the continuum simulation, one or more time-intensive simulations at the micro scale are initialized to obtain the necessary information. Thus, the micro-scale simulations typically slow down the whole method, constituting a bottleneck to the hybrid scheme. To avoid this situation or at least to reduce the needed time to conduct such a simulation, the goal of this study is to optimize the necessary simulation parameters and underlying algorithms at the micro scale to accelerate the hybrid scheme calculations. We investigate a variety of thermorstat candidates for temperature control and their respective parameter space. To determine suitable values for the parameters, we study the pressure and the viscosity, which can be derived from the stress tensor. For the Lowe-Andersen thermostat, the parameter choice is critical, since it has a major influence on the dynamics of the system, the effects on the viscosity are surveyed in detail. With careful choice of the thermostat parameters, one can simulate a fluid with higher viscosity and thus control the dynamics, avoiding the use of a complex hydrodynamic simulation scheme, such as Multiple Particle Collision Dynamics. The isokinetic thermostat is also studied in detail. With help of this temperature controlling algorithm, the impact and influence of simulational parameters such as the timestep and the simulation box length on pressure and viscosity are studied. We report that several small-scale simulations are preferable to a large-scale system with complex parallelisation. Both simple Weeks-Chandler-Andersen particles and small polymer chains using a Kremer-Grest model are simulated. The latter differ in their viscous behaviour depending on the strain applied on the system, while the monomer system exhibit Newtonian behaviour. Parameters such as the monomer density of the polymer system as well as the chain length and their influence on the viscosity are examined. Apart from the results of the investigations into the influence of the parameters, the procedures to refine the data and the fitting methods are presented. These algorithms are applied to the results extracted from the MD simulation. By application of these methods, the amount of required simulations can be reduced. In addition, first results based on the complete Heterogeneous Multiscale Method are shown.
Verschiedene Simulationsarten erlauben einen Einblick in die Dynamik unterschiedlicher Größenskalen. Je nach Art der Simulation und der Vergröberung eines physikalischen Systems wird Zugriff auf eine spezielle Dynamik und damit verbundene Größen ermöglicht. Jede Simulationsart hat entsprechende Vor- sowie Nachteile in der Anwendung und Umsetzung. Um diese Nachteile auszugleichen und von den jeweiligen Vorteilen zu profitieren, kombiniert die Heterogene Multiskalen-Methode die molekulare Genauigkeit einer teilchenbasierten Simulation (Molekulardynamik) mit der numerischen Effizienz einer Kontinuumsmethode (numerische Strömungsmechanik). In den dieser Arbeit zugrundeliegenden Problemstellungen geht es dabei um die Beschreibung der Strömung von weicher Materie im Rahmen der Fluiddynamik mithilfe einer Multiskalenmethode. Die teilchenbasierten Molekulardynamik-Simulationen auf der Mikroskala stellen bei einem solchen Multiskalen-Verfahren typischerweise einen Engpass dar, da in jedem Schritt der Kontinuumsmethode eine oder mehrere zeitaufwendige Mikroskalen-Simulationen gestartet werden müssen. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die entsprechenden Parameter und zugrundeliegenden möglichen Algorithmen auf der Mikroskala zu optimieren. Auf diese Weise wird das gesamte Verfahren verbessert und beschleunigt. Dabei wird sowohl auf eine geeignete Wahl des Thermostats eingegangen, mit dem die Temperatur des Systems kontrolliert wird, wie auch auf geeignete Parameter der jeweiligen Thermostate. Die dafür untersuchten Größen sind der Stresstensor und die davon abgeleiteten Observablen, der Druck und die dynamische Viskosität. Die Wahl der Parameter des Lowe-Andersen-Thermostats spielt dabei ebenso eine Rolle. Durch Kontrolle dieser Variablen kann eine Flüssigkeit mit höherer Viskosität simuliert werden, als die simulierten Teilchen eigentlich haben. Auf diese Weise kann eine ressourcenintensive hydrodynamische Vielteilchendynamik umgangen werden. Das isokinetische Thermostat wird ebenfalls im Detail betrachtet und dient der Temperierung eines Systems von Newtonschen Fluiden. Die allgemeinen Simulationsparameter wie Zeitschritt und Simulationsboxgröße werden unter Zuhilfenahme dieses Thermostats untersucht. Dabei ist es unter dem Aspekt der Hybridsimulation bevorzugt, mehrere kleinere Systeme zu untersuchen, statt wenige große Systeme mit komplexer Parallelisierung zu realisieren. Sowohl einfache Weeks-Chandler-Andersen-Teilchen, als auch kleine Polymerketten, die ein anderes viskoses Verhalten aufweisen als die Monomersysteme und unter Verwendung eines Kremer-Grest-Modells simuliert werden, werden untersucht. Hier werden Parameter wie Dichte und Kettenlänge und ihre Auswirkungen auf die Viskosität bestimmt. Neben den Ergebnissen der Parameteruntersuchung sollen auch die Verfahren zur Datenverfeinerung und die Fitmethoden vorgestellt sowie auf die Simulationsdaten angewendet werden, um die notwendige Gesamtzahl der Simulationen so gering wie möglich zu halten. In diesem Zusammenhang werden auch erste Ergebnisse des hybriden Verfahrens präsentiert.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
ROR: https://ror.org/023b0x485
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2808
URN: urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000025041
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: xii, 129 Seiten
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