Fachbereich Ingenieurwissenschaften und Kommunikation
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Year of publication
Keywords
Automated parameterization of intermolecular pair potentials using global optimization techniques
(2014)
In this work, different global optimization techniques are assessed for the automated development of molecular force fields, as used in molecular dynamics and Monte Carlo simulations. The quest of finding suitable force field parameters is treated as a mathematical minimization problem. Intricate problem characteristics such as extremely costly and even abortive simulations, noisy simulation results, and especially multiple local minima naturally lead to the use of sophisticated global optimization algorithms. Five diverse algorithms (pure random search, recursive random search, CMA-ES, differential evolution, and taboo search) are compared to our own tailor-made solution named CoSMoS. CoSMoS is an automated workflow. It models the parameters’ influence on the simulation observables to detect a globally optimal set of parameters. It is shown how and why this approach is superior to other algorithms. Applied to suitable test functions and simulations for phosgene, CoSMoS effectively reduces the number of required simulations and real time for the optimization task.
In dieser Arbeit werden neuartige methodische Erweiterungen der Lattice-Boltzmann-Methode (LBM) entwickelt, die effizientere Simulationen inkompressibler Wirbelströmungen ermöglichen. Diese Erweiterungen beheben zwei Hauptprobleme der Standard-LBM: ihre Instabilität in unteraufgelösten turbulenten Simulationen und ihre Beschränkung auf reguläre Rechengitter. Dazu wird zunächst eine Pseudo-Entropische Stabilisierung (PES) entwickelt. Diese kombiniert Ansätze der Multiple-Relaxation-Time (MRT)-Modelle und der Entropischen LBM zu einem expliziten, lokalen und flexiblen Stabilisierungsoperator. Diese Modifikation des Kollisionsschritts erlaubt selbst auf stark unteraufgelösten Gittern stabile und qualitativ korrekte Simulationen. Zur Erweiterung der LBM auf irreguläre Rechengitter wird zunächst eine moderne Discontinuous-Galerkin-LBM untersucht und um stabilere Zeitintegratoren ergänzt. Diese Studie demonstriert die drastischen Schwächen existierender LBMAnsätze auf irregulären Gittern. Basierend auf den gewonnenen Erkenntnissen gelingt die Formulierung einer neuartigen Semi-Lagrangeschen LBM (SLLBM). Diese ermöglicht in einzigartigerWeise sowohl die Verwendung irregulärer Gitter und großer Zeitschritte als auch eine hohe räumliche Konvergenzordnung. Anhand von Beispielsimulationen wird demonstriert, wieso dieser Ansatz anderen aktuellen Off-Lattice-Boltzmann-Methoden (OLBMs) in Effizienz und Genauigkeit überlegen ist. Weitere neuartige Aspekte dieser Arbeit sind die Entwicklung eines modularen Off-Lattice-Boltzmann-Codes und die Erweiterung der LBM um implizite Mehrschrittverfahren, mit denen eine Erhöhung der zeitlichen Konvergenzordnung gelingt.