1億水分子での分子動力学シミュレーションによるマイクロ液滴の変形と分裂挙動の解明

通过 1 亿个水分子的分子动力学模拟阐明微滴的变形和破碎行为

• 批准号: 21K03484
• 负责人: 古石 貴裕
• 金额: $ 2.58万
• 依托单位: University of Fukui
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03484/
• 关键词: 水滴; 分子動力学シミュレーション; 大規模シミュレーション; 1億水分子; 水滴衝突; 水滴分裂; FDPS

1000万-1億水分子を用いた分子動力学(MD)シミュレーションにより、固体表面への水滴衝突の挙動を分子レベルで解析することを目指しており、プログラムの開発を続けている。これまでの研究で、シミュレーションプログラムの大規模水滴系への対応ができたため、6千水分子から、現在使用できる計算機で実行可能な最大となる500万水分子までの系で水滴衝突シミュレーションを行った。その結果、水滴に含まれる水分子数が100万を超えると、より現実に使いような固体表面衝突時の水滴の衝突や分裂過程を再現できることがわかった。これは、水滴が衝突で広がるときの液膜の厚さや分裂するとき小水滴の大きさよりも、十分大きなサイズの水滴を使用できるようになったためであると考えられる。現在使用できる計算機では1億水分子系の実行は難しいため、国内で最速のスーパーコンピュータである「富岳」を使うべく、一般試行課題に申請したところ、申請課題が採択されたため、シミュレーションプログラムの富岳への対応を行った。富岳の CPU は同時に複数の演算を行うSIMD演算機能が搭載されており、シミュレーションプログラムを自動でSIMD演算に対応させることができる。しかし、自動でのSIMD演算対応では機械的に計算をSIMD演算に置き換えるため、最適化には限界がある。そのため、自動ではなくMDシミュレーションで行う計算に合わせて、手動でSIMD演算に対応させた最適化を行ったところ、自動最適化に比べ約2.3倍の高速化を行うことができた。また、富岳において水分子数を増やしたテスト計算を行ったところ、目標としている1億水分子系でシミュレーションを実行することができた。ただし、研究で意味のある結果を得るためには、まだ実行速度が十分でないため、今後も引き続き富岳においてシミュレーションプログラムの高速化を行っていく予定である。

Molecular dynamics (MD) analysis of water droplet conflicts on solid surfaces and molecular dynamics analysis of water droplets on solid surfaces. This research is aimed at developing a large-scale water droplet system with a maximum of 6 million water molecules. Now, computers can be used to implement a large-scale water droplet system with a maximum of 5 million water molecules. As a result, the number of water molecules contained in water droplets reaches 1 million, and the collision process of water droplets when solid surfaces collide is reproduced. The thickness of the liquid film is divided into small and large droplets. Now using the computer to implement the 100 million water molecule system, the fastest in the country, the application for the general pilot project, the application for the project, the application for the rich project and the implementation of the project. Fuyue's CPU performs SIMD computation functions simultaneously and automatically. Automatic SIMD computation is a mechanical computation, and optimization is a boundary. For example, the automatic optimization of SIMD computation is about 2.3 times faster than the manual optimization. The number of water molecules in the world is increasing, and the number of water molecules in the world is increasing. The results of the study are expected to be achieved at a very high speed.

项目成果

tree法を用いた大規模水滴系の分子動力学シミュレーションIII

使用树法模拟大型水滴系统的分子动力学III

• 发表时间: 2022
• 作者: 古石貴裕;野村昴太郎
• 通讯作者: 野村昴太郎

Wetting hysteresis induces effective unidirectional water transport through a fluctuating nanochannel

润湿滞后作用通过波动纳米通道诱导有效的单向水传输

• DOI: 10.1039/d2nh00563h
• 发表时间: 2023
• 期刊: Nanoscale Horizons
• 影响因子: 9.7
• 作者: Arai Noriyoshi;Yamamoto Eiji;Koishi Takahiro;Hirano Yoshinori;Yasuoka Kenji;Ebisuzaki Toshikazu
• 通讯作者: Ebisuzaki Toshikazu

Molecular Dynamics Simulation for Large-Scale Water Droplet Systems Using the Tree Method

使用树法模拟大型水滴系统的分子动力学

• 发表时间: 2021
• 作者: Takahiro Koishi;Kentaro Nomura
• 通讯作者: Kentaro Nomura