Моделирование плазменных неустойчивостей в рамках кинетического подхода на суперЭВМ/Unstable plasma Modelling in Kinetic Approarch with supercomputers (UMKA)

Назначение: Существует необходимость моделирования излучения турбулентной плазмы в трехмерной постановке. Для этого разработана программа, позволяющая проводить трехмерное моделирование и ориентированная на использование гибридных суперЭВМ на основе ускорителей Intel Xeon Phi. Показатели эффективности распараллеливания составляют 90% для 200 ускорителей Intel Xeon Phi.

Область применения: Моделирование в высокотемпературной лабораторной и космической плазме, теоретический анализ неустойчивостей, анализ излучения  турбулентной плазмы. Моделирование солнечных вспышек. Моделирование установок инерциального термоядерного синтеза.

Происходит моделирование пролета пучка высокоэнергичных электронов через субтермоядерную плазму. Вследствие резонансного взаимодействия пучка с плазмой в плазме развиваются различные типы неустойчивостей, при этом наблюдается излучение плазмы на терагерцовой частоте.

Вычислительный алгоритм: Программа построена на базе метода частиц в ячейках (A.B Langdon and Charles K. Birdsall, Plasma Physics Via Computer Simulation, 2004). Для расчета электромагнитных полей используется метод конечных разностей во временной области ( Kane Yee (1966). "Numerical solution of initial boundary value problems involving Maxwell's equations in isotropic media". IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 14 (3): 302–307). Распараллеливание выпонено методом декомпозиции расчетной области  (с использованием MPI) по частицам и по сетке, также с помощью технологии OpenMP по отдельным частицам.

Функциональные возможности: Число процессоров (процессорных ядер): до 2000
Объем памяти (суммарный): до 500 Гб

Входные данные:

• Размер сетки
• Количество процессоров
• Количество частиц в ячейке
• Размер области
• Размер части области, занятой пучком и плазмой
• Внешнее магнитное поле
• Энергия частиц пучка
• Поперечная температура частиц пучка
• Температура плазмы (X,Y,Z)

Выходные данные (опционально, каждая выдача может быть отключена)

• Списки модельных частиц (координаты, импульсы)
• Плотности электронов, ионов и электронов пучка
• Электрическое и магнитное поля (все три компоненты)
• Ток (три компоненты)
• Одномерная функция распределения электронов (всех, и пучка, и плазмы) по энергии

Техническое описание

•    Язык программирования: Фортран 90
•    Средства распараллеливания: MPI, OpenMP
•    Целевая архитектура: суперЭВМ классической архитектуры на основе, в первую очередь, процессоров Intel Xeon  и ускорителей Intel Xeon Phi

используемые численные методы: Particle-In-Cell (PIC), Finite DifferenceTime Domain (FDTD)

Основные публикации: 
1. NOTE ON QUANTITATIVELY CORRECT SIMULATIONS OF THE KINETIC BEAM-PLASMA INSTABILITY Lotov K.V., Timofeev I.V., Mesyats E.A., Snytnikov A.V., Vshivkov V.A.
Physics of Plasmas. 2015. Т. 22. № 2. С. 024502.

2. ТРЕХМЕРНЫЙ ГИБРИДНЫЙ КОД ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГЕНЕРАЦИИ ВЫСОКОЧАСТОТНОГО ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ТУРБУЛЕНТНОЙ ПЛАЗМЫ Романенко А.А., Снытников А.В., Тимофеев И.В. Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Информационные технологии. 2016. Т. 14. № 3. С. 81-90.