Υπολογισμοί μεγάλης κλίμακας με κάρτες γραφικών στην προσομοίωση φαινομένων διαβροχής - Κασαπίδης, Γρηγόρης Α. (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Χημικών Μηχανικών. Τομέας Ανάλυσης, Σχεδιασμού και Ανάπτυξης Διεργασιών και Συστημάτων (ΙΙ), 2016)
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.