Distributed Simulation: State-of-the-Art and Potential for Operational Research

In Operational Research conventional simulation practices typically focus on the conceptualization, development and use of a single model simulated on a single computer by a single analyst. Since the late 1970s the field of Distributed Simulation has led research into how to speed up simulation and how to compose large-scale simulations consisting of many reusable models running using distributed computers. There have been significant advances in the theories and technologies underpinning Distributed Simulation and there have been major successes in defence, computer systems design and smart urban environments. However, from an Operational Research perspective, Distributed Simulation has had little impact on mainstream research and practice. To argue the potential benefits of Distributed Simulation for Operational Research, this article gives an overview of Distributed Simulation approaches and technologies as well as discussing the state-of-the-art of Distributed Simulation applications. It will investigate the potential advantages of Distributed Simulation for Operational Research and present a possible sustainable future, based on experiences from e-Science, that will help Operational Research meet future challenges such as those emerging from Big Data Analytics, Cyber-physical systems, Industry 4.0, Digital Twins and Smart environments

Pressure gradients in molecular dynamics simulations of nano-confined fluid flow

Ein detailliertes Verständnis des Verhaltens von Schmierstoffen in engen Spalten ist für eine Reihe von medizinischen und industriellen Anwendungen entscheidend. Die hydrodynamischen Grundgleichungen bieten genaue Lösungen, sofern die kontaktierenden Körper ausreichend weit voneinander entfernt sind. Unter extremen Belastungsbedingungen werden jedoch Abweichungen von den Navier-Stokes-Fourier-Gleichungen beobachtet. Dies liegt hauptsächlich an der Bedeutung atomare Effekte, die eine homogenisierte Betrachtung im Rahmen von Kontinuumstheorien nicht mehr erlauben, sodass die Flüssigkeit als Ansammlung diskreter Partikel behandelt werden muss. Der multiskalige Charakter des Problems wird im Bereich der Grenzreibung umso deutlicher. In diesem Regime wird das Schmiermittel durch Druckgradienten angetrieben, die sich aus der Variation der Spalthöhe zwischen den kontaktierenden Körpern ergeben. In der atomistischen Modellierung werden üblicherweise Nichtgleichgewichts-Molekulardynamik (NEMD) Simulationen periodischer, repräsentativer Volumenelemente (RVE) verwendet, bei denen der Schmierfilm von flachen Wänden eingeschlossen wird. Aufgrund der Periodizität stellt das Einstellen von Druckgradienten in solchen Modellen eine Hürde dar. In dieser Arbeit wurde die ``Pump\u27\u27-Methode entwickelt, um Druckgradienten in periodischen Systemen einzuführen, indem eine lokale Störung aufgebracht wird, die unter Einhaltung der Impulserhaltung einen druckgetriebenen Fluss des Schmiermittels induziert. Dabei kann sowohl der Massenfluss als auch der Druckgradient, durch Festlegen atomarer Kräfte, als unabhängige Variable gewählt werden. Die Methode wurde für kompressible Fluide mit unterschiedlichen Benetzungseigenschaften und in Verbindung mit verschiedenen Thermostat-Strategien getestet. Dabei werden die thermodynamischen Feldgrößen Druck, Temperatur und Geschwindigkeit des Schmierstoffs in Spalthöhen bis zu drei Moleküldurchmessern gemessen. Die Pump-Methode kann auf Kanäle beliebiger Geometrie angewendet werden, was die Anwendung zur Untersuchung hydrodynamischer Kavitation ermöglicht -- ein Phänomen, welches in der Natur allgegenwärtig ist, jedoch auf molekularer Ebene bisher kaum untersucht wurde. Dazu wurde die Kanalgeometrie anhand einer Sensitivitätsanalyse optimiert. Anschließend wurde die Lebensdauer der Kavitationsblasen, sowie deren Wachstum und Zusammenbruch mit den theoretischen, hydrodynamischen Vorhersagen verglichen. Im Rahmen eines Multiskalenansatzes für Schmierungsprobleme kann die Pump-Methode zur Einstellung der Randbedingungen eines molekularen Systems im Einklang mit Kontinuumssimulationen verwendet werden