有机蒸气-空气扩散系数的分子动力学模拟

气体扩散系数是一个重要的传质基础数据,基于分子模拟理论,利用分子模拟软件Materials Studio 7.0对部分有机蒸气-空气扩散系数,包括正戊烷、正己烷、正庚烷、正辛烷,进行分子动力学模拟,建立气体分子结构模型,构建晶胞,经弛豫、分子动力学运行后,对平衡体系进行分子动力学运行和分析,得到气体分子的均方位移曲线。输出相关数据并计算扩散系数,然后分析分子量及体系温度对模拟结果的影响情况,同时将扩散系数模拟值与实测值进行对比分析,从而验证了该方法的可行性。     

生物大分子中的原子等效电荷分布计算

生物大分子的动力学模拟，对理解或探索生物大分子生物学功能的相互关系具有重要的指导意义．而生物大分子动力学模拟中，其分子中原子等效电荷分布的推算或描述，则是模拟过程中的重要方面．本文基于密度泛函理论框架的电负性均衡法和基于分子轨道理论的Qeq方法对生物大分子中原子等效电荷的分布进行概要地模拟和分析；同时对这些方法的生物学领域的应用以及最新研究进展作简要阐述．     

副本交换分子动力学模拟方法计算Trp-cage熔解温度

副本交换分子动力学模拟方法用来计算Trp-cage小蛋白的熔解温度.此模拟采用的是AMBER03的分子力场,但是它的电荷用最近发展的极化的蛋白质专一性电荷来代替.隐式溶剂模型用来模拟溶剂影响,温度变化范围从247.7 K到645.6 K.计算的熔解温度是312 K,这一结果和实验值吻合的很好(315 K).     

图形软件与Amber程序的联合应用

根据分子动力学模拟软件Amber的使用流程，分析了几种图形软件在相应流程中的应用．分子动力学模拟与图形软件的有机结合，大大简化了对所模拟的分子特别是生物大分子的分析，使输入和输出文件都变得更加方便直观．     

图形软件与Amber程序的联合应用

根据分子动力学模拟软件Amber的使用流程，分析了几种图形软件在相应流程中的应用．分子动力学模拟与图形软件的有机结合，大大简化了对所模拟的分子特别是生物大分子的分析，使输入和输出文件都变得更加方便直观．     

分子生物物理学方法结构、动力学、功能

分子生物物理学旨在应用物理学方法了解生物大分子的结构及其相互作用，利用经典热力学及近期发展的各种物理学方法来检测和操控生物分子。这些方法包括质谱、流体力学、电子显微学、衍射和晶体学、分子动力学模拟以及核磁共振，它们相辅相成，各有其特定的优势与适用范围。     

NPT系综下应用ABEEM-7P水分子模型的动力学模拟

应用ABEEM‐7P水分子模型，对含有216个水分子的液态水体系，采用周期性边界条件，在NVT 和NPT 系综下进行分子动力学模拟，研究了不同的NVT、NPT 系综运行时间和压力弛豫时间，对分子动力学模拟的影响．通过分析，发现NVT系综运行时间为500 ps时，模拟的动力学性质同实验值偏差较小且计算速度较快，而当τT ＝0．01 ps时，τP较大或较小时动力学性质偏差较大．因此，216个水分子动力学模拟时τP 选为0．05～5 ps ．应用以上研究结果，分析了NPT 系综下260～310 K温度范围内，相同的τT 不同的τP 下，NPT系综的动力学性质以及某些性质与温度的依赖关系．分析显示，216个水分子动力学模拟得到的性质是合理的，为以后更深入精细研究水分子体系提供参考．     

荧光涨落谱的Monte Carlo模拟与应用

荧光涨落谱(Fluorescence Fluctuation Spectroscopy, FFS)技术测量微小区域内扩散粒子的浓度和各种动力学参数, 具有灵敏度高、可以针对活生物体系实时测量的特点, 适用于动态观测特定微小区域中荧光标记生物分子的浓度、质量、体积和结构的变化, 获得活细胞内生物大分子相互作用的信息. 介绍荧光涨落谱实验的Monte Carlo模拟方法, 通过模拟粒子的扩散运动以及荧光激发和收集过程, 预测不同实验体系的荧光涨落谱特征. 利用这种方法可以分析不同实验因素对荧光涨落谱的影响, 验证不同理论计算模型的效果, 为分析、处理复杂生物体系的实验数据提供帮助. 对模拟程序所基于的物理和数学模型进行了介绍, 并结合一些特殊体系中的应用, 对模拟的效果和可靠性进行了多种方式的验证, 得到了与理论分析相符的结果.     

蒸发与凝结现象的分子动力学研究

采用分子动力学方法研究了气液共存体系的蒸发与凝结现象,模拟验证了经典理论对界面分子碰撞流率预测的有效性,并通过对气液界面上的相变微观过程的分析统计,获得了气相分子凝结的判据,以此为依据提出了采用分子动力学方法统计凝结的新方法,模拟计算了3个不同温度下氩的凝结系数,对不同温度条件下的分子动力学模拟表明,氩的凝结系数随系统温度的升高而减小。     

小分子气体在烯烃共聚膜中扩散行为的分子动力学研究

采用分子动力学模拟方法,研究了小分子气体(氧气分子和氢气分子)在烯烃共聚物乙烯/1-己烯膜中的扩散性能。主要探讨了分子主链结构中共聚物单体的比例,以及气体分子大小对扩散系数和自由体积的影响。模拟过程中采用Compass力场,对共聚物模拟体系进行NPT系综动力学优化,计算得到其密度,并与实验值进行对比,使模拟体系接近于真实体系;随后进行NVT模拟,得到500ps时间的小分子运动轨迹,由爱因斯坦方程计算出气体分子在烯烃共聚物中的扩散系数,并与文献报道的实验数据进行对比。结果表明,随着共聚物中1-己烯含量的增加,氧分子和氢分子的扩散系数也呈增大趋势,与共聚物中分子间相互作用力的变化分析一致。说明分子动力学模拟方法是一个有效计算、预测小分子在不同比例烯烃共聚物中计算扩散系数的方法。     

基于视窗操作系统网络并行计算环境的建立与应用

针对单台微型计算机进行数值模拟耗时长的问题,在微软公司开发的32位视窗操作系统下建立了网络并行计算环境.把2台微型计算机连成一个星形结构的以太网,以并行虚拟机作为网络并行计算平台、Vi sualC 作为开发工具,通过建立帐号及主目录、配置网络、设置系统环境变量和测试等步骤,完成了并行虚拟机的配置与调试.采用C语言自行研制了并行凝缩算法的源程序,并进一步以主从进程模式对金属平板轧制过程的弹塑性力学行为进行了数值模拟.研究结果表明,所建立的网络并行计算环境运行可靠,并行加速比可达1 785,并行效率达到了89%,与单台微型计算机相比,不仅提高了运行速度,且大大缩短了计算时间.     

PeerMD： A P2P Molecular Dynamics Simulation Framework Based on Web Services

PeerMD, a P2P molecular dynamics simulation frame-work based on Web services is proposed. It utilizes rich free CPU time and network bandwidth of P2P networks to provide enough resources for dynamics simulation of bio-macromolecule, and has resolved the problem that it is difficult to interoperate between heterogeneous peers in P2P environment through Web services. Structure of PeerMD is given. Function, input and output of molecular dynamics simulation Web service are defined. Processes of publishing, discovering and invoking of molecular dynamics simulation Web service based on multi-level SuperPeer are given. A protocol system of PeerMD is implemented on a basic P2P platform JXTA, and experimental simulations of tumor necrosis fact alpha （TNF-α） and two mutations of it are executed on the protocol system. Simulation results show that PeerMD can speed up molecular dynamics simulation perfectly.     

基于OpenCL并行的挡板对珠光体生长的相场法模拟

建立了耦合相场和溶质场的KKSO模型,采用OpenCL并行计算模拟了Fe-C合金共析生长过程,研究了不同形状和不同位置的挡板对层片状珠光体协同生长的影响.结果表明:GPU计算效率相对于串行CPU,最高可达88倍的加速比,并且随着模拟规模的增大,GPU的加速性能越高;挡板的存在直接影响珠光体的形貌演化,其使挡板下方的珠光体生长被限制,穿过挡板间隙的珠光体形貌发生改变;当挡板位于渗碳体和铁素体界面正上方时,挡板两侧渗碳体相合并为不规则形状,渗碳体相前沿碳原子不能满足其生长需求,停止生长,相邻铁素体合为一个相.因此挡板的存在可以控制珠光体的生长形貌.     

基于GPU的高阶辛FDTD算法的并行仿真研究

高阶辛时域有限差分算法(SFDTD)与传统的时域有限差分算法(FDTD)相比具有更优的稳定性和计算精度,但在进行电磁仿真时则更为耗时。为解决这一问题,文章应用SFDTD的空间并行性,研究并实现了基于计算统一设备架构(CUDA)的SFDTD的并行算法仿真;基于费米架构,分析了各种尺度网格下速度的提升,与传统的CPU实现该算法进行比较,验证了该方法的正确性和高速性。     

一种针对飞行模拟的动态地形绘制误差判断方法

针对飞行模拟的特点, 提出一种基于受限四叉树的大规模地形绘制误差判断方法. 该方法利用误差饱和概念, 采用符合并行计算要求的误差判断准则进行层次细节的选取, 使误差判断与三角化过程完全由图形处理器(GPU)执行, 提高了图形硬件的绘制效率, 节省了中央处理器(CPU)运行时间, 可用于高速飞行模拟中的大规模地形实时绘制.     

基于类梅森数的物联网密钥交换快速取模算法

为适应物联网加密传输中大量轻型传感器节点运算性能和能源有限的特点,解决传感器运行RSA(Rivest-Shamir-Adleman)、DHM(Diffie-Hellman-Merkle)、Elgamal等公钥基础设施（PKI）加密算法所面临的运算速度、功耗等瓶颈问题,并简化相应的硬件加密电路逻辑设计,文中提出了一种基于类梅森数的密钥交换快速取模算法（CZ-Mod算法）。CZ-Mod算法利用梅森数的数学特性,使关键的mod（取模）运算的时间复杂度降至O(n)。首先,提出了一种以类梅森数为模数的快速取模运算mod1,使复杂的mod运算变成简单的二进制移位相加运算;其次,提出了一种以任意近似类梅森数的正整数为模数的快速取模运算mod2,在简化mod运算的同时扩大模数的取值范围;然后,对mod1、mod2运算作逻辑电路设计,以简化mod运算的硬件电路;最后,将以上工作应用到物联网节点的密钥交换中,以降低计算的复杂度,提高PKI加密算法的速度。实验测试结果表明：采用CZ-Mod算法的DHM密钥交换速度可达到常规算法的2.5～4倍;CZ-Mod算法精简,适合做物联网传感器的硬件电路设计。     

基于图形处理器加速的叶轮机流场数值模拟研究

近年来,图形处理器(GPU)已经逐渐发展成一种能够满足通用计算的多核心细粒度并行化的处理器,它往往能够提供10倍于CPU的浮点计算能力和更高的存储带宽,在其上开发计算流体力学(CFD)求解器正成为一种趋势。通过采用Jameson有限体积中心差分格式和四步Runge-Kutta时间推进法求解圆柱坐标系下的三维定常欧拉方程来模拟叶轮机械内部流场,并将原有运行在CPU上的代码移植到GPU上。通过比较,获得相同的流场计算结果;在运行速度上,获得了一个数量级的提升。     

基于多核心工作站机群的并行介数算法

针对计算大规模复杂网络时介数的空间和时间复杂度问题,根据网络数据的存储特点,设计了减少内存占用并能提高查找速度的数据结构.根据介数计算的特点,用Python语言设计了粗粒度并行算法,在多核心工作站机群实现了并行算法.实验结果表明:并行算法不仅能够适用于上亿条边规模的网络,而且能够获得线性加速比,使120个计算核心的加速比达到了71左右,为分析大规模复杂网络数据的特性提供了易操作的方案.     

一种可编程安全处理器体系结构的研究与实现

提出了一种可编程安全处理器PSP(Programm ab le Security Processor)的体系结构,该体系结构由SPARC V8处理器内核、AHB片上总线及密码算法模块等部分构成,密码算法模块通过AHB总线与处理器内核进行高速交互.FPGA原型实现表明,该安全处理器能通过SPARC指令编程进行灵活控制,密码算法模块可以按需配置,能够满足嵌入式计算中对安全性和灵活性的需要.     

基于多GPU加速的各向异性弹性波正演模拟

比较分析了在不同网格大小介质模型情况下,分别采用串行计算、CPU 16个线程并行计算和4块GPU并行计算进行各向异性弹性波动方程正演模拟的执行时间差异。发现在网格点为2563的大模型上,用4块GPU的并行模拟计算相对16线程并行计算与串行计算的加速分别为30倍与156倍。表明多GPU并行算法可以显著缩短数值模拟时间,而且模型网格越大,加速效果越显著。因此,在单机环境下进行大尺度模型的各向异性弹性波正演模拟,采用多GPU并行计算方式是一个合适的加速选择。