Complex fluids in the Gpu era. Algorithms and simulations

Abstract

Complex fluids is an umbrella term for the coexistence between two phases, in our cases of interest these being a solid and a liquid. A wide range of soft matter systems, oftentimes of a biological nature, can be categorized as complex fluids. We often find the presence of a group of certain slow solid, or soft, objects submerged in a solvent comprised by smaller particles governed by faster dynamics. A suspension of colloidal particles in water or a small virus diffusing in the cellular environment are examples of complex fluids. The dynamics of these kind of systems are more often than not influenced (and sometimes straight-up controlled) by thermal fluctuations and hydrodynamic correlations arising from the elimination of the solvent’s degrees of freedom. Additionally, the two-phase coupling often imposes geometrical restrictions that fundamentally alter the dynamics of both the solution and the solvent. Both of these effects require special (and in some occasions altogether novel) mathematical and algorithmic consideration. This thesispushes the boundaries of numerical simulation of complex fluids. In this manuscript, I present an overview of past, recent and novel algorithms adapted to the GPU, a powerful, massively-parallel hardware recently developed. This thesis has culminated in the release of UAMMD, a new software infrastructure for complex fluids simulations in the GPU. Besides the novel tools and methodology, I will also go through some real-life applications which have led to scientific breakthroughs published in research journals

El término fluido complejo se refiere a la consistencia entre dos fases, en nuestros casos de estudio habituales siendo una de ellas solida y la otra líquida. Un amplio rango de sistemas en materia blanda, a menudo de naturaleza biológica, pueden categorizarse como fluidos complejos. Típicamente nos encontramos con un grupo de objetos solidos, o blandos, cuya dinámica es lenta, que están sumergidos en un solvente compuesto de partículas más pequeñas y con una dinámica mucho mas rápida. Algunos ejemplos de fluidos complejos son una suspensión de partículas coloidales en agua o un pequeño virus difundiendo en el entorno celular. La dinámica de este tipo de sistemas está habitualmente influenciada (o incluso gobernada) por fluctuaciones térmicas y correlaciones hydrodinámicas que surgen de la eliminación de algunos de los grados de libertad del solvente. Adicionalmente, el acoplamiento entre las dos fases a menudo impone restricciones geométricas que alteran fundamentalmente la dinámica de la solución, así como la del solvente. Ambos mecanismos requieren tener en cuenta consideraciones matemáticas y algorítmicas especiales (y en ocasiones completamente novedosas). La presente tesis extiende los límites de la simulación numérica de fluidos complejos. En este manuscrito, presento una serie de algoritmos, pasados y nuevos, adaptados a la GPU, un poderoso hardware extremadamente paralelo recientemente desarrollado. La culminación de esta tesis ha tenido como resultado la publicación de UAMMD, una nueva infrastructura de software para la simulación de fluidos complejos en la GPU. Además de las herramientas y metodología originales, también repasaré algunas aplicaciones prácticas que han resultado en avances científicos publicados en revistas de investigación