MPI реализация алгоритмов для 2D и 3D моделирования фазовых переходов в материалах, облучаемых тяжёлыми ионами, в рамках модели термического пика

В работе представлена MPI реализация метода 2D и 3D расчётов эволюции температурных полей и динамики фазовых переходов, возникающих в материалах при облучении тяжёлыми ионами высоких энергий и импульсными ионными пучками. Используется модифицированная модель термического пика, основанная на системе двух связанных уравнений теплопроводности, описывающих тепловые процессы в электронной и ионной подсистемах облучаемого тяжёлыми ионами образца. Численное решение этих уравнений осуществляется в цилиндрической системе координат как в аксиально симметричном случае (2D), так и с учётом нарушения аксиальной симметрии в моделируемой системе (3D). Моделирование динамики фазовых переходов реализовано на основе задачи Стефана в рамках энтальпийного подхода. Представлена математическая постановка задачи, приведены формулы, определяющие конечно-разностную вычислительную схему; обсуждаются особенности параллельной компьютерной реализации на базе технологии MPI. Приведены численные результаты, подтверждающие эффективность разработанного подхода и соответствующей MPI/C++ программы. Показано, что результаты численного моделирования согласуются с известными экспериментальными оценками размеров треков, образующихся в облучаемых тяжёлыми ионами образцах.

моделирование, численные методы, фазовый переход, модель термического пика, параллельный алгоритм