Бессеточные методы частиц для суперкомпьютерного моделирования практических задач воздействия ультракоротких лазерных импульсов различной интенсивности на вещество

Цель: создание нового комплекса трехмерных параллельных программ, реализующих бессеточные методы частиц для решения широкого круга практических задач воздействия лазерного излучения на вещество. Комплекс предназначен для моделирования лазерных импульсов различной интенсивности, включая релятивистские, и будет обладать высокой эффективностью при работе на десятках тысяч процессорных ядер. Комплекс будет использоваться для изучения лазерной модификации поверхности, лазерной абляции, генерации наночастиц, ускорения электронов и ионов и многих других прикладных задач. Бессеточный лагранжевый метод сглаженных частиц (SPH) наилучшим образом подходит для моделирования поведения вещества в условиях, где возникают сильно неоднородные течения, ударные волны, потери сплошности, кавитация, образование трещин и фрагментация материала. В отличие от сеточных методов, он не требует отслеживания контактных и свободных границ. Взаимодействие между частицами имеет короткий радиус, благодаря чему при расчетах можно использовать высокоэффективные методы параллелизации с автоматической балансировкой нагрузки, например путем динамической пространственной декомпозиции расчетной области на ячейки Вороного. Это позволяет проводить расчеты с высоким пространственным разрешением с использованием сотен миллионов частиц на современных суперкомпьютерах. Метод может быть обобщен для учета различных физических процессов, включая теплопроводность, поверхностную энергию, поглощение электромагнитного излучения и т.п. Образование наноразмерных частиц при воздействии лазером на вещество – комплексная задача, где при моделировании сплошной среды необходимо правильно описывать множество физических явлений, среди которых распространение ударных волн, перенос тепла, поверхностное натяжение и поглощение энергии лазерного импульса. Использование аналитического решения задачи Римана на контакте SPH-частиц позволяет правильно моделировать распространение ударных волн без использования численной вязкости. Похожим образом между SPH-частицами можно решать уравнение теплопроводности. Для учета сил поверхностного натяжения в SPH предлагается использовать специальный межчастичный потенциал взаимодействия. Метод PIC (метод частиц в ячейках) предназначен для моделирования релятивистской бесстолкновительной плазмы на кинетическом уровне. В методе реальные частицы представляются в виде облаков, которые содержат множество реальных частиц одного сорта; для облаков решаются релятивистские уравнения движения. Электромагнитные поля, которые фигурируют в уравнениях движения, вычисляются путем численного решения уравнений Максвелла. Метод PIC позволяет получить полную картину динамики релятивистской бесстолкновительной плазмы, в том числе траектории всех облаков, а также распределение электромагнитного поля в плазме, включая поле лазерного импульса. С помощью различных модификаций в методе PIC можно также учесть процессы тунельной ионизации и генерацию синхротронного излучения. Выполнена адаптация стандартного алгоритма метода SPH для решения задач воздействия ультракоротких лазерных импульсов на вещество. Алгоритм метода SPH модифицирован для повышения порядка аппроксимации с помощью решения задачи о распаде разрыва на границе между двумя частицами, для моделирования упруго-пластических течений, а также разрушения. Произведены расчеты абляции и образования наночастиц в золоте при заданном профиле поглощенной энергии в веществе. Проведено трехмерное моделирование лазерной абляции и разрушения капли олова, объяснены ранее полученные экспериментальные данные. Реализован и оттестирован комплекс программ, реализующих метод PIC для численного моделирования распространения релятивистски интенсивных фемтосекундных лазерных импульсов в направляющих структурах и генерации нелинейных кильватерных плазменных волн в реальной трехмерной геометрии, в том числе с использованием графических ускорителей. Разработан и использован новый метод спектрального анализа трехмерного распределения электромагнитных полей и энергетических характеристик укоренных электронов. Трехмерное моделирование абляции капли олова выполнено впервые.