VSim

VSim هو إطار عمل حسابي متعدد المنصات للفيزياء المتعددة، وهو متوافق مع أنظمة التشغيل Windows وLinux وmacOS. ^{[ 1 ]}

يتضمن البرنامج VSimComposer، وهو واجهة مستخدم رسومية لإعداد عمليات المحاكاة بصريًا، تدعم استيراد هندسة التصميم بمساعدة الحاسوب (CAD) وإنشاء الهندسة مباشرةً. يتيح VSimComposer للمستخدمين تنفيذ برامج تحليل البيانات وعرض النتائج في بُعد واحد أو بُعدين أو ثلاثة أبعاد. يستخدم VSim محرك Vorpal الحسابي، الذي طُبِّق لمحاكاة الأنظمة الكهرومغناطيسية والبلازما والغازات المخففة والكثيفة . يُستخدم VSim لنمذجة الفيزياء الكهرومغناطيسية والبلازما الأساسية، والأشكال المعدنية والعازلة المعقدة، والإلكترونيات الضوئية ، وإلكترونيات الفراغ بما في ذلك تأثيرات التكاثر المتعدد ، وتسريع مجال الموجة الليزرية ، ومحركات البلازما ، وبلازما الاندماج .

محرك الحوسبة Vorpal هو أداة محاكاة مصممة للعمل في فضاءات أحادية أو ثنائية أو ثلاثية الأبعاد. وهو يدعم أنماط الحوسبة مثل النمط الكهرومغناطيسي الكامل، حيث يستخدم خوارزمية فرق الزمن المحدود ( FDTD )، ويمكنه أيضًا العمل مع المجالات الكهروستاتيكية أو المغناطيسية الساكنة.

يمكن نمذجة الجسيمات داخل برنامج Vorpal، سواء كانت مشحونة أو متعادلة، كسائل أو حركيًا باستخدام خوارزمية الجسيمات في الخلية ( PIC ). يضمن المحرك تفاعل هذه الجسيمات بشكل متسق ذاتيًا مع المجالات. كما يمكنه محاكاة تفاعل الجسيمات والمجالات مع مجموعة متنوعة من الهياكل، بما في ذلك الموصلات، وممتصات الجسيمات، والعاكسات، وغيرها، باستخدام تقنيات قطع الخلايا للحفاظ على الدقة.

يوفر نطاق الحساب في برنامج Vorpal مرونةً في شروط الحدود، حيث يدعم النطاقات أو الحدود الدورية التي يمكنها محاكاة فضاء لانهائي باستخدام طبقات مطابقة مثالية ( PML ) أو أنواع أخرى من شروط حدود الموجات الصادرة. تكون بيانات الإخراج من Vorpal بتنسيق البيانات الهرمي (HDF5) ومتوافقة مع معايير VizSchema، مما يُسهّل إجراء المزيد من التحليلات والتصورات.

يمكن إعداد عمليات المحاكاة في لوحة إعدادات VSimComposer. يمكن استيراد الأشكال أو إنشاؤها، وتعيين المواد للأشكال، وإضافة الحقول والجسيمات، واختيار الخوارزميات. ثم يقوم VSimComposer بإنشاء ملف إدخال مناسب للاستخدام بواسطة محرك Vorpal الحسابي.

يمكن أيضًا كتابة ملف الإدخال مباشرةً. هنا، يتمتع المستخدم بتحكم كامل في الكميات الفيزيائية المراد تضمينها في المحاكاة، بما في ذلك التحكم الدقيق في الخوارزميات وحلولها. يستطيع المستخدم تحديد ديناميكيات الجسيمات كديناميكيات نسبية كاملة، أو غير نسبية، أو غير ممغنطة، أو غير ذلك. تتوفر في ملف الإدخال تصادمات إضافية بين الإلكترونات والأيونات والغازات المتعادلة (حيث تُمثل الغازات المتعادلة إما بسوائل أو جسيمات)، بما في ذلك عمليات الانقسام الذاتي والدمج الذاتي. كما يمكن تضمين تأين المجال. يمكن نمذجة تفاعلات السطح المتقدمة، بما في ذلك انبعاث الإلكترونات الثانوية، والتذرية، وشحن السطح، وفقًا لما يحدده المستخدم. يمكن أيضًا تحديد التفكيك المتوازي يدويًا للتطبيقات عالية الأداء.

يمكن تشغيل VSim من واجهة المستخدم الرسومية VSimComposer أو من سطر الأوامر. يعمل الإصدار المتوازي من VSim على الأنظمة التي تدعم واجهة تمرير الرسائل ( MPI ). يتم إدخال البيانات إلى VSim عبر ملفات شبيهة بملفات XML تُستخدم لإنشاء كائنات المحاكاة. يمكن استخدام معالج ماكرو مسبق قائم على لغة بايثون، txpp.py، لإنشاء ملفات الإدخال، مما يسمح للمستخدمين بإعداد عمليات المحاكاة الخاصة بهم باستخدام الدوال الرياضية، واستبدال المتغيرات، والماكرو، والحلقات.

يمكن تحليل البيانات المُولَّدة باستخدام أيٍّ من أدوات التحليل المُدمجة، أو يُمكن للمستخدمين كتابة أدوات تحليل خاصة بهم بأي لغة برمجة. تُخرج أدوات التحليل المُدمجة البيانات بصيغة VizSchema لعرضها مباشرةً في لوحة عرض VSimComposer. بالنسبة لأدوات التحليل المكتوبة بلغة Python، تُوفر VSim حزمة VsH5، التي تُسهِّل كتابة المخرجات بصيغة VizSchema.

يمكن عرض ملفات مخرجات Vorpal داخل VSimComposer. تشمل الرسوم البيانية بيانات الجسيمات، وبيانات الحقول، وهندسة المحاكاة، مع خطوط توضيحية لفحص التغيرات الهامة. يتم العرض داخل VSimComposer من خلال تضمين أداة VisIt القوية ، والتي يمكن للمستخدمين تنزيلها للحصول على عروض بيانية أكثر تحديدًا. يتيح استخدام حزمة VsH5 مع أدوات Python الشائعة مثل matplotlib إنشاء رسوم بيانية عالية الجودة جاهزة للنشر.