Υπολογισμοί μεγάλης κλίμακας με κάρτες γραφικών στην προσομοίωση φαινομένων διαβροχής

Κασαπίδης, Γρηγόρης Α.; Kasapidis, Grigoris A.

dc.contributor.author	Κασαπίδης, Γρηγόρης Α.	el
dc.contributor.author	Kasapidis, Grigoris A.	en
dc.date.accessioned	2016-10-05T08:09:50Z
dc.date.available	2016-10-05T08:09:50Z
dc.date.issued	2016-10-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43741
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.5564
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Υπολογιστική Μηχανική”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Υπερυδρόφοβες αυλακωτές επιφάνειες	el
dc.subject	Επεξεργαστές γραφικών	el
dc.subject	Μέθοδος αναπαράστασης φάσεων	el
dc.subject	Μέθοδος χορδής	el
dc.subject	Μονοπάτια ελάχιστης ενέργειας	el
dc.subject	Superhydrophobic grooved surfaces	en
dc.subject	CUDA	el
dc.subject	MPI	el
dc.subject	Phase field method	en
dc.subject	Minimum energy path	en
dc.subject	Graphics processing units (GPUs)	en
dc.subject	String method	en
dc.title	Υπολογισμοί μεγάλης κλίμακας με κάρτες γραφικών στην προσομοίωση φαινομένων διαβροχής	el
dc.title	Large-scale computations with graphics processing units (GPUs) for the simulation of wetting phenomena	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Υπολογιστική Μηχανική	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-06-20
heal.abstract	Στόχος αυτής της εργασίας είναι η ανάπτυξη κώδικα για την προσομοίωση φαινομένων διαβροχής πάνω σε αυλακωτές επιφάνειες. Μελετώνται φαινόμενα διαβροχής όπου στα- γόνες μεταπίπτουν ανάμεσα σε καταστάσεις ισορροπίας. Οι καταστάσεις ισορροπίας της σταγόνας μπορεί να είναι η υπερυδρόφοβη κατάσταση Cassie-Baxter (CB), και η υδρόφιλη κατάσταση Wenzel (W). Για τον προσδιορισμό των καταστάσεων διαβροχής χρησιμοποιεί- ται η μέθοδος χορδής (String Method, SM) μέσω της οποίας είναι δυνατός ο προσδιορισμός του μονοπατιού ελάχιστης ενέργειας (Minimum Energy Path, MEP). To MEP επιτρέπει τον υπολογισμό των ενεργειακών φραγμάτων και την αξιολόγηση της υπερυδρόφοβης συμπερι- φοράς επιφανειών. Ο προσδιορισμός των ενδιάμεσων καταστάσεων κάθε μετάβασης υπολο- γίζεται με χρήση μεθόδου αναπαράστασης φάσεων (phase-field method). Χρησιμοποιείται μια τροποποιημένη μέθοδος που βασίζεται στη Cahn-Hilliard διατύπωση των εξισώσεων του πεδίου αναπαράστασης φάσεων ειδικά για φαινόμενα διαβροχής. Η μέθοδος χρησιμοποιεί μετασχηματισμούς Fourier, οι οποίοι μετατρέπουν τις διαφορικές εξισώσεις του προβλή- ματος σε απλές αλγεβρικές εξισώσεις που επιτρέπουν την ταχεία επίλυσή τους με χρήση καρτών γραφικών (Graphical Processing Units - GPUs). Αναπτύχθηκε κώδικας που εκτελεί- ται σε κάρτες γραφικών χρησιμοποιώντας τη πλατφόρμα CUDA (Compute Unified Device Architecture). Ο εγγενής GPU κώδικας παρουσιάζει δεκαπλάσια επιτάχυνση σε σύγκριση με κώδικα MATLAB που επίσης χρησιμοποιεί κάρτες γραφικών. Παρουσιάζονται τεχνικές λε- πτομέρειες της υλοποίησης που οδηγούν σε βελτιστοποίηση και επιτάχυνση του κώδικα. Στη συνέχεια παρουσιάζεται υλοποίηση που συνδυάζει το πρωτόκολλο MPI (Message Passing Interface) για την κλιμάκωση της εκτέλεσης σε πολλαπλές κάρτες γραφικών της υπολογιστι- κής συστοιχίας. Γίνεται επίλυση προβλημάτων διαβροχής που αφορούν μετάβαση σταγόνων από την CB στη W κατάσταση, αλλά και την απλή κίνηση της σταγόνας πάνω στην επιφά- νεια. Ο συνδυασμός αυτών των αναλύσεων δίνει μια σαφή εικόνα για το ενεργειακό τοπίο των μεταβάσεων και γιαυτό το λόγο εφαρμόζονται για διάφορες περιπτώσεις αυλακωτών επιφανειών. Τέλος γίνεται αξιολόγηση της υδροφοβικότητας των επιφανειών αυτών.	el
heal.abstract	The purpose of this work is code development for the simulation of wetting phenomena on patterned surfaces. The wetting phenomena that are studied involve wetting transitions between equilibrium states of droplets on grooved surfaces. There are two significant equilibrium states for a droplet on a grooved surface: The Cassie-Baxter (CB) superhydrophobic state and the Wenzel (W) state. The String Method (SM) is used to calculate the Minimum Energy Path (MEP) of the transition (e.g. Cassie-Baxter to Wenzel), which in turn is used to calculate the energy barriers and evaluate the superhydrophobic behavior of surfaces. The calculation of the wetting states is accomplished using a modified phase-field method, that is based on the Cahn-Hilliard formulation. The computational method utilizes the Fast Fourier Transform (FFT) that converts the partial differential equations of the problem into simple algebraic equations, which are readily solved using GPUs (Graphical Processing Units). The developed code uses the CUDA framework for the execution on GPUs. The native CUDA GPU code shows tenfold speedup compared to the MATLAB code that also uses GPUs. A new implementation is presented which combines the MPI (Message Passing Interface) with the CUDA implementation that scales the execution on many GPUs in the available computational cluster. The studied problems involve the CB-W transition and also the lateral displacement of the droplet on the surface. Finally the superhydrophobic behavior of those patterned surfaces is evaluated and analysed.	en
heal.advisorName	Μπουντουβής, Ανδρέας Γ.	el
heal.advisorName	Boudouvis, Andreas G.	en
heal.committeeMemberName	Μπουντουβής, Ανδρέας Γ.	el
heal.committeeMemberName	Καραντώνης, Αντώνης	el
heal.committeeMemberName	Λαγαρός, Νίκος Δ.	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ)	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	76 σ.	el
heal.fullTextAvailability	true