Résumé - Conditions de frontière sphériques pseudo-périodiques : Simulations 3D de particules efficaces et isotropes sans artefacts de grille

Conditions de frontière sphériques pseudo-périodiques : Simulations 3D de particules efficaces et isotropes sans artefacts de grille

2025-07-10 16:19:09

{"Manuel Dedola","Ludovico Cademartiri"}

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L'article présente une nouvelle condition de bord pseudopériodique sphérique (SBC) pour les simulations de particules 3D, conçue pour surmonter les limites des conditions de bord périodiques (PBC) traditionnelles. Les PBC, couramment utilisées pour simuler des systèmes denses comme les environnements cellulaires, introduisent des artefacts de grille bien connus qui peuvent affecter l'exactitude des simulations. La SBC proposée dans cette étude est parfaitement isotrope, éliminant l'anisotropie structurelle et dynamique inhérente aux PBC. Cela est réalisé en simulant des objets à l'intérieur d'un volume sphérique primaire, où tout objet entrant dans une couche de bord déclenche la création d'une copie fantôme. La copie fantôme est placée à une distance de l'objet original, préservant l'état cinétique. Les auteurs ont mené des simulations comparatives détaillées en utilisant des particules sphériques, des potentiels de sphère dure et la Dynamique de Brown (BD) pour valider la SBC. Ils ont comparé la cinétique des collisions, la structure, les corrélations et la performance computationnelle de la SBC et des PBC. Les principaux résultats de l'étude incluent : 1. La SBC converge à la même valeur de vérité de base que les PBC dans le cas du grand-N, validant leur exactitude physique de base. 2. La SBC présente un processus cinétique plus réaliste par rapport aux PBC, comme le montre la vitesse de convergence des taux de collision. 3. La SBC produit un système libre d'ordre anisotrope, confirmé par une analyse par angle de la couche voisine la plus proche et du Facteur de Structure Statistique, S(k). 4. La SBC assure une conservation supérieure du moment cinétique total, éliminant le bruit systématique, algorithmique inhérent au protocole de pliage des coordonnées des PBC. 5. Pour les systèmes denses (φ > 1%), où les artefacts des PBC sont les plus sévères, la SBC n'est pas seulement plus précise physiquement mais aussi plus efficace computationnellement, surpassant les implémentations standard basées sur le MIC de jusqu'à 60%. Les auteurs concluent que la SBC est un outil puissant et efficace pour simuler des systèmes isotropes, en particulier dans les régimes denses où les artefacts des PBC sont problématiques. Ils recommandent la SBC en tant qu'alternative supérieure aux méthodes périodiques traditionnelles pour simuler des matières denses, désordonnées, où l'isotropie, la détermination structurale précise et la dynamique rotationnelle correcte sont primordiales.