Témakiírások
Akusztikusan gerjesztett kavitációs buborék nemlineáris alakstabilitásának vizsgálata nagy teljesítményű GPU programozás alkalmazásával
témakiírás címe
Akusztikusan gerjesztett kavitációs buborék nemlineáris alakstabilitásának vizsgálata nagy teljesítményű GPU programozás alkalmazásával
doktori iskola
témakiíró
tudományág
témakiírás leírása
a.) Előzmények:
Az ultrahanggal besugárzott folyadékban többezer, mikron méretű, radiálisan pulzáló buborék keletkezik, melyekben az összeroppanásuk során kémiai reakciók is lejátszódhatnak. A jelenséget akusztikus kavitációnak nevezzük. Az akusztikus kavitáció során lejátszódó kémiai reakciók hasznosításával a szonokémia foglalkozik. A szonokémiának számos felhasználása lehetséges, például a szennyvízkezelésben, a gyógyszeriparban és a szerves kémiában. A kémiai kihozatal a buborékmérettel arányosan nő, azonban a buborékméret növekedésnek a korlátja a gömbi alakstabilitás elvesztése a felületi hullámok miatt.
b.) A kutatás célja:
A külső zavarás hatására a buborék felületén felületi hullámok keletkezhetnek, amelyek időbeli növekedése a buborék torzult, nemgömbi lengéseihez, illetve a buborék felbomlásához vezethet. Az irodalomban általánosan alkalmazott vizsgálati módszerek a lineáris stabilitási határok vizsgálatára korlátozódnak. Ezzel szemben a jelen kutatási téma célja a felületi hullámok és a radiális lengés közötti kölcsönhatások figyelembevételével pontosabb vizsgálati módszer kidolgozása és implementálása. Akusztikus kavitációs buborékok kísérleti megfigyelésekor nem ritka a stabilan létező nemgömbi lengést végző buborékok jelenléte, továbbá a stabil gömbi buborékok „hirtelen” szétesése apróbb buborékokra (atomizáció). Az ilyen jelenségek leírása a hagyományos, lineáris stabilitási vizsgálattal nem lehetséges. Habár a leíró egyenletek az irodalomban megtalálhatók, ezek széleskörű alkalmazása a szonokémiai kutatásokban nem terjedt el. Ennek egy lehetséges magyarázata az egyenletek bonyolultsága, ugyanis egy A(x(t))x''=f(t,x(t)) formájú csatolt közönséges differenciálegyenlet rendszert kell megoldani, ahol t az idő, x az állapotvektor (amplitúdók, sebességek) A az állapotfüggő csatolási mátrix, '' az idő szerinti deriváltat jelenti. A legnagyobb kihívását az implicit csatolás (a csatolási mátrix a baloldalon) jelenti, ami egy lineáris egyenletrendszer megoldását igényli minden egyes függvénykiértékelés során. Kereskedelmi szoftver alkalmazásával az egyenletek megoldása nem jelentene problémát, azonban a nagyszámú paraméterkombináció miatt a nagy teljesítményű számítástechnika, videokártyák alkalmazása szükséges. Ezért hardware-re optimalizált, numerikus megoldó fejlesztése szükséges. További cél a részletes paramétertanulmányok elvégzése, a stabil nemgömbi lengések vizsgálata.
c.) Az elvégzendő feladatok, azok fő elemei, időigénye:
Első év: szakirodalom áttekintése és a vizsgálandó modellek kiválasztása, felépítése és megismerése. C++ és CUDA C szoftveres környezetben a megkívánt programozási technikák elsajátítása. Második és harmadik év: részletes paramétertanulmányok elkészítése és a kapott eredmények folyamatos publikálása. Negyedik év: fennmaradó eredmények publikálása és a disszertáció megírása.
d.) A szükséges berendezések:
A paraméterek nagy száma miatt a vizsgálandó paraméterkombinációk száma jelentős. Ezért a nagy teljesítményű számítástechnika alkalmazása elengedhetetlen. Ezt videokártyák programozásával érjük el. A tanszéknek már jelenleg is tulajdonában van 1 db NVIDIA GeForce Titan Black és 2 db NVIDA A5000 típusú videokártya. A nemzetközi kapcsolatok révén rendelkezésre áll további 2 db professzionális NVIDIA Tesla K20m videokártya. A jelenlegi céloknak ez az 5 videokártya megfelel.
e.) Várható tudományos eredmények:
Hatékony, hardware-re optimalizált numerikus megoldó, amely alkalmas akusztikusan gerjesztett buborék nemlineáris, csatolt felületi és radiális lengéseinek numerikus vizsgálatára. Numerikusan elvégzett paramétertanulmányok, amelyek segítik az üzemeltetési stratégiák kidolgozását.
f.) Irodalom:
A témához kapcsolódó eddig megjelent publikációk:
Klapcsik, K. (2021): GPU accelerated numerical investigation of the spherical stability of an acoustic cavitation bubble excited by dual-frequency. Ultrasonics Sonochemistry, 77, pp. 105684. IF: 9.336
Klapcsik, K., Hegedűs, F. (2019): Study of non-spherical bubble oscillations under acoustic irradiation in viscous liquid, Ultrasonics Sonochemistry, 54, pp. 256–273, IF: 6.513
Klapcsik, K, Hegedűs, F. (2022): Numerical investigation of the translational motion of bubbles: The comparison of capabilities of the time-resolved and the time-averaged methods, Ultrasonics Sonochemistry, 92, pp. 106253, IF: 9.336
Az ultrahanggal besugárzott folyadékban többezer, mikron méretű, radiálisan pulzáló buborék keletkezik, melyekben az összeroppanásuk során kémiai reakciók is lejátszódhatnak. A jelenséget akusztikus kavitációnak nevezzük. Az akusztikus kavitáció során lejátszódó kémiai reakciók hasznosításával a szonokémia foglalkozik. A szonokémiának számos felhasználása lehetséges, például a szennyvízkezelésben, a gyógyszeriparban és a szerves kémiában. A kémiai kihozatal a buborékmérettel arányosan nő, azonban a buborékméret növekedésnek a korlátja a gömbi alakstabilitás elvesztése a felületi hullámok miatt.
b.) A kutatás célja:
A külső zavarás hatására a buborék felületén felületi hullámok keletkezhetnek, amelyek időbeli növekedése a buborék torzult, nemgömbi lengéseihez, illetve a buborék felbomlásához vezethet. Az irodalomban általánosan alkalmazott vizsgálati módszerek a lineáris stabilitási határok vizsgálatára korlátozódnak. Ezzel szemben a jelen kutatási téma célja a felületi hullámok és a radiális lengés közötti kölcsönhatások figyelembevételével pontosabb vizsgálati módszer kidolgozása és implementálása. Akusztikus kavitációs buborékok kísérleti megfigyelésekor nem ritka a stabilan létező nemgömbi lengést végző buborékok jelenléte, továbbá a stabil gömbi buborékok „hirtelen” szétesése apróbb buborékokra (atomizáció). Az ilyen jelenségek leírása a hagyományos, lineáris stabilitási vizsgálattal nem lehetséges. Habár a leíró egyenletek az irodalomban megtalálhatók, ezek széleskörű alkalmazása a szonokémiai kutatásokban nem terjedt el. Ennek egy lehetséges magyarázata az egyenletek bonyolultsága, ugyanis egy A(x(t))x''=f(t,x(t)) formájú csatolt közönséges differenciálegyenlet rendszert kell megoldani, ahol t az idő, x az állapotvektor (amplitúdók, sebességek) A az állapotfüggő csatolási mátrix, '' az idő szerinti deriváltat jelenti. A legnagyobb kihívását az implicit csatolás (a csatolási mátrix a baloldalon) jelenti, ami egy lineáris egyenletrendszer megoldását igényli minden egyes függvénykiértékelés során. Kereskedelmi szoftver alkalmazásával az egyenletek megoldása nem jelentene problémát, azonban a nagyszámú paraméterkombináció miatt a nagy teljesítményű számítástechnika, videokártyák alkalmazása szükséges. Ezért hardware-re optimalizált, numerikus megoldó fejlesztése szükséges. További cél a részletes paramétertanulmányok elvégzése, a stabil nemgömbi lengések vizsgálata.
c.) Az elvégzendő feladatok, azok fő elemei, időigénye:
Első év: szakirodalom áttekintése és a vizsgálandó modellek kiválasztása, felépítése és megismerése. C++ és CUDA C szoftveres környezetben a megkívánt programozási technikák elsajátítása. Második és harmadik év: részletes paramétertanulmányok elkészítése és a kapott eredmények folyamatos publikálása. Negyedik év: fennmaradó eredmények publikálása és a disszertáció megírása.
d.) A szükséges berendezések:
A paraméterek nagy száma miatt a vizsgálandó paraméterkombinációk száma jelentős. Ezért a nagy teljesítményű számítástechnika alkalmazása elengedhetetlen. Ezt videokártyák programozásával érjük el. A tanszéknek már jelenleg is tulajdonában van 1 db NVIDIA GeForce Titan Black és 2 db NVIDA A5000 típusú videokártya. A nemzetközi kapcsolatok révén rendelkezésre áll további 2 db professzionális NVIDIA Tesla K20m videokártya. A jelenlegi céloknak ez az 5 videokártya megfelel.
e.) Várható tudományos eredmények:
Hatékony, hardware-re optimalizált numerikus megoldó, amely alkalmas akusztikusan gerjesztett buborék nemlineáris, csatolt felületi és radiális lengéseinek numerikus vizsgálatára. Numerikusan elvégzett paramétertanulmányok, amelyek segítik az üzemeltetési stratégiák kidolgozását.
f.) Irodalom:
A témához kapcsolódó eddig megjelent publikációk:
Klapcsik, K. (2021): GPU accelerated numerical investigation of the spherical stability of an acoustic cavitation bubble excited by dual-frequency. Ultrasonics Sonochemistry, 77, pp. 105684. IF: 9.336
Klapcsik, K., Hegedűs, F. (2019): Study of non-spherical bubble oscillations under acoustic irradiation in viscous liquid, Ultrasonics Sonochemistry, 54, pp. 256–273, IF: 6.513
Klapcsik, K, Hegedűs, F. (2022): Numerical investigation of the translational motion of bubbles: The comparison of capabilities of the time-resolved and the time-averaged methods, Ultrasonics Sonochemistry, 92, pp. 106253, IF: 9.336
felvehető hallgatók száma
1 fő
helyszín
BME Hidrodinamikai Rendszerek Tanszék
jelentkezési határidő
2023-10-20