生物薄膜的建模及在GPU集群上的模拟

The research of biofilms is the cutting-edge topic in science and engineering. This proposal intends to study the modeling of biofilms and its simulations on GPU clusters. We will develop a single fluid multi-component model based on the kinetic theory and the two-component model of biofilms. We will try to model the quorum sensing mechanism and cell motility. For the numerical part, we will implement a high scalable simulation code in 3D physical space on the GPU high performance clusters, so we can simulate the biofilms growth, transport and detach dynamics fast. During this process, We would like to extract the typical computations related to complex fluids simulation and then form a high efficient and scalable code library to facilitate future research.

生物薄膜的研究一直是科学及工程界的前沿课题。本项目拟研究生物薄膜的建模及其在GPU集群上的仿真。我们将在现有生物薄膜的单流体两组分模型的基础上，基于一定的动理学理论，从更精细的角度建立多组分模型，建模生物薄膜中细胞的群体感应特性及细胞的活性。在数值模拟方面，我们将在三维物理空间实现基于GPU高性能计算集群的仿真代码，实现大规模数值模拟，研究生物薄膜的生长、输运、剥离等机理。在这个过程中，我们希望能提炼出复杂流体相关的典型计算，实现一个高效、高伸缩性的代码库，为进一步的研究提供便利。

本项目研究对象为生物薄膜的建模及在GPU平台上的模拟。我们基于动理学理论和相场模型，建立了一个生物薄膜的扩散粘弹模型，该模型将生物薄膜中的生物物质看成由细菌和胞外聚合物组成。我们设计了该模型无量纲化后控制方程组的数值求解格式，并基于GPU平台实现了三维物理空间中的高性能计算代码。我们进行了大量的数值模拟，包括生物薄膜的生长及在剪切流下的交互。仿真结果表明该模型可用于建模生物薄膜的粘弹性，符合我们预期。在代码的实现及优化中，我们也提炼出了复杂流体仿真时一些常用的计算模式，例如Helmholtz方程的求解，离散正弦（余弦）变换的高效计算等，并形成了一个高性能的基础代码库，可便于后续研究使用。