MAESTRO, CASTRO, and SEDONA -- Petascale Codes for Astrophysical Applications

Performing high-resolution, high-fidelity, three-dimensional simulations of Type Ia supernovae (SNe Ia) requires not only algorithms that accurately represent the correct physics, but also codes that effectively harness the resources of the most powerful supercomputers. We are developing a suite of codes that provide the capability to perform end-to-end simulations of SNe Ia, from the early convective phase leading up to ignition to the explosion phase in which deflagration/detonation waves explode the star to the computation of the light curves resulting from the explosion. In this paper we discuss these codes with an emphasis on the techniques needed to scale them to petascale architectures. We also demonstrate our ability to map data from a low Mach number formulation to a compressible solver.Comment: submitted to the Proceedings of the SciDAC 2010 meetin

MAESTRO: An Adaptive Low Mach Number Hydrodynamics Algorithm for Stellar Flows

Many astrophysical phenomena are highly subsonic, requiring specialized numerical methods suitable for long-time integration. In a series of earlier papers we described the development of MAESTRO, a low Mach number stellar hydrodynamics code that can be used to simulate long-time, low-speed flows that would be prohibitively expensive to model using traditional compressible codes. MAESTRO is based on an equation set derived using low Mach number asymptotics; this equation set does not explicitly track acoustic waves and thus allows a significant increase in the time step. MAESTRO is suitable for two- and three-dimensional local atmospheric flows as well as three-dimensional full-star flows. Here, we continue the development of MAESTRO by incorporating adaptive mesh refinement (AMR). The primary difference between MAESTRO and other structured grid AMR approaches for incompressible and low Mach number flows is the presence of the time-dependent base state, whose evolution is coupled to the evolution of the full solution. We also describe how to incorporate the expansion of the base state for full-star flows, which involves a novel mapping technique between the one-dimensional base state and the Cartesian grid, as well as a number of overall improvements to the algorithm. We examine the efficiency and accuracy of our adaptive code, and demonstrate that it is suitable for further study of our initial scientific application, the convective phase of Type Ia supernovae.Comment: Accepted to Astrophysical Journal Suppliment (http://iop.org). 56 pages, 15 figures

Application of high temperature solid lubricants for impregnation of P/M parts

Nowoczesne układy tribologiczne są bardzo często poddawane trudnym warunkom pracy. Najbardziej skomplikowany proces tribologiczny występuje w układach współpracujących związanych ze smarowaniem mieszanym i granicznym. Dotyczy to zwłaszcza jednostek eksploatowanych w podwyższonych temperaturach. W takich warunkach konwencjonalne metody smarowania działają znacznie mniej efektywnie i poszukiwane są nowe rozwiązania. Od niedawna alternatywną koncepcją okazał się kierunek adaptacji na środki smarujące nanocząstek smarów stałych o strukturze płytkowej [1, 2, 3]. W pracy zostały przedstawione wyniki badań tribologicznych i strukturalnych smarów stałych. Praca obejmuje także prezentację wyników badań smarów stałych poddanych innowacyjnej metodzie mechanicznego rozwarstwiania materiałów. Efektem procesu rozwarstwiania jest obecność płatków o strukturze nanometrycznej. Tego typu materiały cechują się znacznie lepszymi właściwościami tribologicznymi [2, 4]. Testy tribologiczne zostały przeprowadzone na testerach T-10 i T-21 (Instytut Technologii Eksploatacji - Państwowy Instytut Badawczy ITeE-PIB w Radomiu). Badaniu poddano MoS2, WS2, h-BN, BaF2, CaF2 oraz mieszaniny MoS2 z dodatkiem grafitu i WS2 z do-datkiem grafitu. Proces mikromechanicznego rozwarstwiania smarów realizowano na nagniatarce proszkowej (NP-1). Badania SEM wykonano za pomocą mikroskopu FEI-INSPECT-S z przystawką EDSEDAX, znajdującego się w Instytucie Obróbki Plastycznej (INOP) w Poznaniu. Uzyskane wynik wykazały, że nanocząstki smarów stałych: MoS2, WS2, MoS2 z dodatkiem grafitu, WS2 z dodatkiem grafitu, są materiałami, które znajdą zastosowanie w modyfikacji warstwy wierzchniej części stosowanych na elementy pracujące w trudnych warunkach eksploatacyjnych. Zastosowanie tego typu smarów pozwala na zmniejszenie i uzyskanie współczynnika tarcia poniżej 0,1, co bezpośrednio wpływa na 2-3-krotne zwiększenie trwałości elementów współpracujących jako pary trące. Otrzymane siarczkowe nanocząstki grafenopodobne smarów stałych oraz mieszaniny z grafitem, charakteryzują się małym współczynnikiem tarcia, dobrą wytrzymałością na wysokie obciążenia i dużą stabilnością mechaniczną i chemiczną oraz wysoką odpornością na zużycie [3, 4].Modern tribological systems are very often subjected to difficult operating conditions. The most complicated tribological process occurs in mating systems associated with mixed and boundary lubrication This especially concerns units used at elevated temperatures. Under such conditions, conventional methods of lubrication are much less effective; new solutions are being sought. Recently, the direction of adaptation to lubricating agents consisting of nanoparticles of solid lubricants with a plate structure has arisen as an altertive concept [1, 2, 3]. The results of tribological and structural tests of solid lubricants are presented in this work. The work also includes the presentation of results of tests of solid lubricants subjected to an innovative method of mechanical delamination of ma-terials. An effect of the delamination is the presence of nanostructured flakes. Materials of this type exhibit significantly better tribological properties [2, 4]. Tribological tests were conducted on T-10 and T-21 testers (Institute for Sustainable Technologies – National Research Institute, ITeE-PIB in Radom). Testing was performed on MoS2, WS2, h-BN, BaF2, CaF2, and a mixture of MoS2 with an addition of graphite and WS2 with an ad-dition of graphite. The process of micromechanical delamination of lubricants was carried out with a powder burnishing tool (NP-1). SEM tests were performed using an FEI-INSPECT-S microscope with an EDSEDAX attachment, located at the Metal Forming Institute (INOP) in Poznan. The results obtained showed that nanoparticles of solid lubricants — MoS2, WS2, MoS2 with the addition of graphite, and WS2 with the addition of graphite — are materials that will find applications in the modification of the surface layers of parts used for components working in difficult usage conditions. The use of this type of lubricant allows for decreasing the friction coefficient and achieving a value be-low 0.1, which directly effects a 2–3-time increase in the durability of components co-operating as friction pairs. The obtained graphene-like sulphide nanoparticles of solid lubricants and mixtures with graphite are characterized by a low coefficient of friction, good endurance under heavy loads, high mechanical and chemical stability, and high resistance to wear [3, 4]

Corrosion resistance of new biocompatible composite materials for biomedical applications, obtained by spark plasma sintering

Inżynieria biomateriałów oraz technologie związane z medycyną należą do jednej z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin naukowych w ostatnich latach. Tytan i jego stopy wraz ze stopami na osnowie żelaza, kobaltu oraz stopami z pamięcią kształtu tworzą grupę biomateriałów metalicznych. Tytan i jego stopy w porównaniu z innymi materiałami metalicznymi charakteryzuje się dobrą biozgodnością, niskim w porównaniu z innymi biomateriałami metalicznymi, ale porównując do metali w ogóle do np. aluminium ma niższy moduł Younga, wysoką wytrzymałością względną i niskim ciężarem właściwym. Istotnym elementem tego materiału jest odporność korozyjna, której analiza i badania są przedmiotem niniejszej pracy. W pracy przedstawiono analizę odporności korozyjnej nowych stopów tytanu otrzymanych metodą metalurgii proszków, konsolidowanych technologią SPS z różnymi parametrami procesu. Technologia SPS jest procesem konsolidacji materiałów z proszków w określonej temperaturze i pod określonym ciśnieniem (prasowanie), które powodują odkształcenie plastyczne ziaren scalanego proszku. Tak przygotowane próbki porównano z materiałem komercyjnym – lity stop Ti6Al4V ELI w postaci pręta. Przedmiotem analizy były krzywe potencjodynamiczne wykonane na podstawie danych uzyskanych z urządzenia SP-150 marki Bio-Logic Science Instruments z przystawką niskoprądową w komorze pomiarowej o pojemności 1 litra. Porównano charakterystyki korozyjne nowych stopów tytanowych i litego stopu handlowego. Wyznaczono także porowatość, gęstość oraz twardość. Stwierdzono przesuniecie potencjału korozyjnego badanych spieków w stronę wyż- szych potencjałów względem stopu handlowego. Zaobserwowano korelację pomiędzy właściwościami korozyjnymi, a właściwościami mechanicznymi materiałów uzyskanych dla różnych parametrów spiekania.Biomaterials engineering and technologies related to medicine belong to one of the most dynamically developing scientific fields in recent years. Titanium and its alloys with iron-based cobalt alloys, as well as alloys with shape memory, form the group of metallic biomaterials. Titanium and its alloys compared with other metallic materials is characterized by good biocompatibility, a low Young’s modulus in comparison with other metallic biomaterials as well as compared to metals in general for example aluminum, high strength and low relative specific gravity. An important element of this material is corrosion resistance, whose analysis and testing are the subject of this work. The paper presents an analysis of the corrosion resistance of new titanium alloys obtained by powder metallurgy, consolidated using SPS technology with different process parameters. SPS technology is the process of consolidating material from powders at a predetermined temperature and under a certain pressure (compaction) that causes plastic deformation of the grains of the merged powders. The thus prepared samples were compared with a commercial material - Ti6Al4V ELI solid alloy in the form of a rod. The subject of analysis was potentiodynamic curves made on the basis of data obtained from the Bio-Logic Science Instruments SP-150 device with a low current attachment in a measuring chamber with a capacity of 1 liter. We compared the corrosion characteristics of the new titanium alloys and the commercial solid alloy. The porosity, density and hardness were also determined. A shift in the corrosion potential of the investigated sinters to higher potentials in relation to the commercial alloy was found. A correlation between the corrosive properties and the mechanical properties of the materials obtained employing the various sintering parameters was observed

Tests of tribological properties of biomaterials and implants

W artykule zwrócono uwagę na waSną rolę badań tribologicznych w ocenie jakości biomateriałów i implantów. Podano wyniki badań tribologicznych implantów krążka międzykręgowego kręgosłupa, prowadzone na specjalnym symulatorze. Wyznaczono wpływ obciążenia i rodzaju materiałów na współczynnik tarcia i zużycia. Badania prowadzono dla par trących typu „metal – polietylen”. Obejmy metalowe implantów wykonano ze stopów 316L, CoCrMo, Ti6Al4V. Elementy pośrednie (jądro miaSdSyste) wykonano z UHMWPE. Wskazano na ważną rolę produktów zuzycia w procesie uzytkowania implantów.In this article, the important role of tribological tests in the evaluation of the quality of biomaterials and implants was emphasised. The results of tribological tests of intervertebral disk spinal implants, conducted on a special simulator, were presented. The influence of load and material types on friction and wear coefficients was determined. Tests were conducted for “metal – polyethylene” type friction pairs. The metal clamping rings of implants were made from 316L, CoCrMo, Ti6Al4V alloys. Intermediary elements (nucleus pulposus) were made from UHMWPE. The important role of wear products during the process of implant exploitation was indicated

Coating of Pd/C catalysts with Lewis-acidic ionic liquids and liquid coordination complexes–SCILL induced activity enhancement in arene hydrogenation

Acid doping – coating of Pd/C catalysts with Lewis-acidic liquid films results in increased hydrogenation activity at very mild reaction conditions.</p

Influence on the type of materials of the friction pair on the wear mechanism of spinal intervertebral disk implants

The paper discusses the purpose of a spinal disc implant. Indicated a significant effect on the material pair of friction on the frictional resistance. Tribological test results of spinal disc implants performed on the simulator. Discussed the mechanism of wear of the implants. Drew attention to the destructive role of wear products

Tribological aspects of material selection for intevertebral disc implant

Endoprotezoplastyka krążka międzykręgowego jest stosunkowo nową procedurą leczenia chorych z przewlekłymi bólami kręgosłupa o charakterze dyskogennym. Niezależnie od doboru materiałów, z których wykonuje się elementy składowe implantu krążka międzykręgowego, wciąż najistotniejszym czynnikiem ograniczającym czas jego użytkowania jest podatność na zużycie wskutek tarcia. W artykule przedstawiono ocenę procesów fizykomechanicznych występujących podczas użytkowaniu implantów, ze szczególnym uwzględnieniem procesów tribologicznych. Uzyskane wyniki wskazują, że za względnie korzystny zestaw materiałów należy uznać parę trącą typu metal–polietylen. Zastosowanie polimerowej wkładki pozwala na uzyskanie stosunkowo niskich oporów tarcia (współczynnik tarcia poniżej 0,1), nawet przy dużym obciążeniu układu (2500źN). W przypadku pary trącej typu metal–metal za najkorzystniejszy materiał należy uznać stop Co28Cr6Mo. W ramach artykuł dokonano oceny mechanizmu zużycia poszczególnych par trących. Przedmiot analiz w przypadku pary trącej typu metal–metal stanowiła także analiza rozkładu wielkości produktów zużycia i stężenie jonów pierwiastków stopowych w cieczy smarującej.Total disc replacement is a relatively new treatment procedure of patients with chronic back pain. Regardless of the choice of materials from which the disc components are made, the most important factor limiting their service life is susceptibility to wear due to friction. This paper presents an assessment of physico-mechanical processes occurring during the use of implants, with particular emphasis on tribological processes. The results obtained during tribological tests show that the relatively favourable combination of materials is metal-polyethylene articulation. The use of a polymeric insert allows for a relatively low friction resistance (friction coefficient less than 0.1) even for a large load (2500 N). In metal-metal articulation the most favourable material is Co28Cr6Mo alloy. In the frame of this article, the mechanisms of wear for both articulation types were assessed. For metal-on-metal friction pair, wear debris size distribution, as well as metal ion concentration analysis were made