Tytuł pozycji:
Applicability and performance analysis of the phase-field modelling based on the Cahn-Hilliard method for the binary alloys
The Cahn-Hilliard method descries the driving force of the process of phase separation. Considering a binary (two-phase) alloy of conserved composition variable, the C-H model makes it possible to trace the process at which the domain creates pure subdomains of each component. Gururajan et al. have offered a simplified reference implementation of the aforementioned model, using the C language and FFTW libraries. It allows to perform a reverse Fourier transform to acquire a domain composition profile at a given time. Being a proof-of-concept, this approach does not stress on performance and the dedicated tools, like OpenPhase might not provide the flexibility necessary for new implementations. The following work aims on analyzing the C-H algorithm with regards of optimization, taking the Gururajan, among others, as a reference problem. Utilizing the models accompanied by replicable results facilitates the analysis of FFTW and GSL libraries, answering whether to search the replacement implementations and where (if necessary) work on code performance and parallelization. Finally, the improved model is intended to be used on external (non-random) initial composition, taken from ongoing simulations, in hope of preparation of the pearlitic steel model in the future.
Wśród technik symulacji rozwoju mikrostruktury, coraz większą popularność zdobywa metoda pola fazowego (phasc-ficld method, PFM). Metoda zakłada płynni) zmianę faz w miejsce przejścia ostrego. Główną jej zaletą jest względna prostota opisu układu z wykorzystaniem sprzężonych równań różniczkowych, które podlegają typowej dyskretyzacji za pomocą powszechnie stosowanych metod numerycznych. Opis układu za pomocą ciągłych pól pozwala zastosować metodę PFM w złożonych problemach. Niniejsza praca przedstawia analizę możliwości implementacji modeli opartych na metodzie pola fazowego i potencjalne problemy związane z konstruowaniem modelu oraz omawia wzorcową implementację opartą o wybrane zestawy oprogramowania. Przegląd dostępnych narzędzi programistycznych naświetla niedociągnięcia obecnych rozwiązań, potencjalne możliwości wzrostu wydajności oraz, co nie mniej istotne, zmierza do ułatwienia sposobu, w jakim wyrażane jest zagadnienie PFM. Problemem wejściowym w pracy jest proces reprezentatywnego rozkładu roztworu binarnego wedle równania typu Cahn-Hilliard. Minimalizacja energii swobodnej w układzie jest siłą pędną separacji układu na dwie domeny złożone jednorodnie z czystych składników. Zjawisko zachodzi na podstawie' równania CH. Zaproponowano zbiory do zaprogramowania istniejących solverów numerycznych oraz gotowy pakiet obliczeniowy framework, o nazwie OpenPhase. O ile dla podstawowych zagadnień obliczenia z wykorzystaniem pakietu przebiegają prawidłowo, to jest on często niewystarczająco elastyczny dla procesu budowania bardziej złożonych modeli. Zachodzi więc konieczność rozpoznania technik stosowanych w ww. oprogramowaniu i ich analiza pod kątem wydajności i zastosowania w innych, niż referencyjne, przypadkach, celem budowy nowych modeli. Przeglądowy charakter owego zadania unaocznia skromny zasób gotowych rozwiązań, szczątkowe możliwości przeprogramowania (wynikające z dostosowania do konkretnych przypadków) oraz poważne trudności w tworzeniu narzędzi o bardziej uniwersalnym spektrum zastosowań, czy nawet bardziej złożonych modeli. Analiza równania Cahna-Hilliarda dla zachowanego parametru metody pola fazowego oraz przegląd dostępnych rozwiązań punktem wyjścia do dalszej pracy, której celem jest stworzenie modelu PFM pozwalającego badać tworzenie struktur ferryt/perlit w sposób zbliżony do symulacji wedle modelu proponowanego przez Uniwersytet Kobe (Bocttingcr & Warren, 2014), wykorzystującego PFM, metodę elementów skończonych w ramach teorii homogenizacji (w formie FEH, Finite Element Homogenization).
Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).
