Complex fluids in the Gpu era. Algorithms and simulations
Title (trans.)
Fluidos complejos en la era de las tarjetas gráficas. Algoritmos y simulacionesAuthor
Pérez Peláez, Raúl
Advisor
Delgado Buscalioni, Rafael
Entity
UAM. Departamento de Física Teórica de la Materia CondensadaDate
2022-05-09Subjects
Fluidos; FísicaNote
Tesis Doctoral inédita leída en la Universidad Autónoma de Madrid, Facultad de Ciencias, Departamento de Física Teórica de la Materia Condensada. Fecha de Lectura: 09-05-2022
Esta obra está bajo una licencia de Creative Commons Reconocimiento-NoComercial-SinObraDerivada 4.0 Internacional.
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
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