Registro:
| Documento: | Tesis Doctoral |
| Título: | Nuevos métodos híbridos para modelado y simulación eficiente de partículas en geometrías 3D |
| Título alternativo: | New hybrid methods for efficient particle simulation in 3D geometries |
| Autor: | Santi, Lucio Emilio |
| Editor: | Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales |
| Filiación: | Universidad de Buenos Aires - CONICET. Instituto de Investigación en Ciencias de la Computación (ICC)
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| Publicación en la Web: | 2022-03-29 |
| Fecha de defensa: | 2020-12-22 |
| Fecha en portada: | 2021 |
| Grado Obtenido: | Doctorado |
| Título Obtenido: | Doctor de la Universidad de Buenos Aires en el área de Ciencias de la Computación |
| Director: | Castro, Rodrigo Daniel |
| Consejero: | Mocskos, Esteban Eduardo |
| Jurado: | Quinteros, Javier Rolando; Urquía, Alfonso; Wahlberg, Hernán Pablo |
| Idioma: | Español |
| Palabras clave: | QUANTIZED STATE SYSTEM; SIMULACION DE PARTICULAS; FISICA DE ALTAS ENERGIAS; MODELICA; QSS SOLVERQUANTIZED STATE SYSTEM; PARTICLE SIMULATION; HIGH ENERGY PHYSICS; MODELICA; QSS SOLVER |
| Formato: | PDF |
| Handle: |
http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6828_Santi |
| PDF: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/download/tesis/tesis_n6828_Santi.pdf |
| Registro: | https://bibliotecadigital.exactas.uba.ar/collection/tesis/document/tesis_n6828_Santi |
| Ubicación: | Dep.COM 006828 |
| Derechos de Acceso: | Esta obra puede ser leída, grabada y utilizada con fines de estudio, investigación y docencia. Es necesario el reconocimiento de autoría mediante la cita correspondiente. Santi, Lucio Emilio. (2021). Nuevos métodos híbridos para modelado y simulación eficiente de partículas en geometrías 3D. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de http://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6828_Santi |
Resumen:
El modelado y la simulación de dinámica de partículas son componentes esenciales en disciplinas diversas tales como la física de altas energías, la dinámica de fluidos computacional o la computación gráfica, entre otras. Una característica distintiva de la simu-lación de partículas es la necesidad de trazar sus trayectorias de forma continua a medida que se desplazan en una geometría, identificando cuidadosamente en tiempo y espacio los cruces entre volúmenes adyacentes. A su vez, cada dominio de aplicación suele adoptar metodologías de modelado propias que, en su mayoría, se apoyan en lenguajes de programación de propósito ge-neral que no fueron concebidos especialmente para el modelado matemático. Esta Tesis explora nuevas técnicas y metodologías de modelado y simulación de sistemas de partículas basadas en métodos nu-méricos híbridos (es decir, aquellos que combinan la solución de sistemas continuos con la representación de eventos discretos) y en un lenguaje de modelado orientado a ecuaciones que permite combinar dinámicas continuas y discretas. Partiendo de la familia moderna de métodos Quantized State System (QSS) y sus implementaciones asociadas, proponemos nuevas extensiones gené-ricas y rigurosas para describir sistemas de partículas en geometrías tridimensionales reticuladas utilizando el lenguaje de modela-do Modelica. La naturaleza híbrida de nuestros algoritmos de simulación permite transformar un problema de tratamiento difícil en uno de solu-ción trivial: la detección de cruces entre volúmenes puede traducirse de un problema de detección de eventos de estado en uno de detección de eventos temporales. Esto redunda en un tratamiento inherentemente eficiente de las discontinuidades que se produ-cen, ante cada cruce, en las ecuaciones dinámicas de movimiento de las partículas. La aplicación testigo adoptada para llevar adelante este trabajo es la física de altas energías (FAE). Las simulaciones en esta dis-ciplina consisten en trazar las trayectorias de partículas subatómicas mientras se desplazan a lo largo de una geometría compleja que usualmente representa un detector de partículas. Apoyándonos en Geant4, el simulador por excelencia de la comunidad FAE, presentamos dos nuevas técnicas de simulación basadas en eventos discretos: GQLink, un esquema de co-simulación en el cual el motor de integración numérica del simulador QSS Solver toma el control de los procesos de transporte de partículas, y QSSte-pper, un integrador numérico autónomo optimizado que opera en forma nativa como parte del ecosistema de integración numérica de Geant4. Ambas técnicas son rigurosamente analizadas en el marco de dos casos de estudio complementarios: un ejemplo in-troductorio en el que un positrón describe trayectorias helicoidales en un reticulado de cubos, y un caso realista que modela el de-tector CMS en el CERN. A partir de estos estudios, establecemos una caracterización genérica para identificar otros escenarios potenciales en el contexto de la FAE donde nuestros métodos puedan proveer mejoras sustanciales en el desempeño de las simu-laciones. Avanzando en la generalización, dotamos a QSS con la capacidad de interactuar con geometrías tridimensionales reticuladas arbi-trarias, surgiendo de este modo una nueva metodología de modelado y simulación de sistemas de partículas: retQSS (QSS para geometrías reticuladas). Aprovechamos las ventajas provistas por un lenguaje estandarizado para modelado basado en ecuacio-nes como Modelica y mostramos diversos casos posibles de aplicación de retQSS, incluyendo modelos de bandadas de pájaros con comportamiento emergente, sistemas de moléculas con interacciones mediante campos de fuerza arbitrarios y modelos de flujo de plasma, entre otros, destacando la flexibilidad del enfoque y la elegancia y forma compacta de los modelos resultantes.
Abstract:
The modeling and simulation of particle dynamics are key components in many disciplines such as high energy physics, computa-tional fluid dynamics and computer graphics, to name a few. A typical feature of particle simulation is the need to track particles as they travel in a geometry, carefully identifying in time and space the crossing of boundaries between adjacent volumes. Also, each application domain usually adopts custom modeling methodologies which, in most cases, rely on general purpose progra-mming languages not designed to address mathematical modeling problems. This Thesis explores new techniques and methodologies for modeling and simulation of particle systems based on an equation-oriented modeling language and on hybrid numerical methods – those that combine the solution of continuous systems with repre-sentations of discrete events. We propose generic and rigorous extensions of the Quantized State System (QSS) family of nume-rical methods to simulate particle systems in reticulated three-dimensional geometries, describing the underlying continuous and discrete dynamics with the Modelica modeling langauge. The hybrid nature of our simulation algorithms allows for transforming a computationally demanding problem into an easily tractable problem: the state events that arise from the detection of boundary crossings between volumes can be treated as time events. This enables an efficient handling of the discontinuities in the equations that govern the motion of the particles, when particles move across adjacent volumes. In a first stage, we tackle the high energy physics (HEP) realm. Particle simulations in HEP involve tracking the trajectories of subatomic particles as they travel along complex geometries, typically modeling particle detectors. We adopt Geant4, the simulation engine of choice for modern HEP expe-riments, and present two novel discrete-event simulation strategies: GQLink, a cosimulation scheme where the numerical integra-tion engine of the QSS Solver simulator takes over Geant4’s particle transport responsibilities, and QSStepper, an autonomous nu-merical integrator that operates natively as part of Geant4’s numerical integration ecosystem. Both strategies are rigorously studied in the context of two complementary case studies: an introductory example where a positron describes helical trajectories inside a mesh of cubes, and a realisitic model based on the CMS particle detector at CERN. We also establish a general characterization to identify other HEP scenarios where our methods have the potential to substantially improve simulation performance. We continue enabling new capabilities in QSS to interact with arbitrary reticulated geometries. These extensions give rise to a novel methodolo- gy for modeling and simulation of particle systems: retQSS (QSS for reticulated geometries). We leverage the advantages of a standardized equationoriented modeling language such as Modelica and show several applications of retQSS, including bird flo-cking models, systems of molecules with interactions given by arbitrary force fields and plasma flow, among others, showcasing the versatility of our approach and the elegance of the resulting models.
Citación:
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Santi, Lucio Emilio. (2021). Nuevos métodos híbridos para modelado y simulación eficiente de partículas en geometrías 3D. (Tesis Doctoral. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales.). Recuperado de https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6828_Santi
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Santi, Lucio Emilio. "Nuevos métodos híbridos para modelado y simulación eficiente de partículas en geometrías 3D". Tesis Doctoral, Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, 2021.https://hdl.handle.net/20.500.12110/tesis_n6828_Santi
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