Branch data Line data Source code
1 : : // *****************************************************************************
2 : : /*!
3 : : \file src/PDE/CompFlow/CGCompFlow.hpp
4 : : \copyright 2012-2015 J. Bakosi,
5 : : 2016-2018 Los Alamos National Security, LLC.,
6 : : 2019-2021 Triad National Security, LLC.
7 : : All rights reserved. See the LICENSE file for details.
8 : : \brief Compressible single-material flow using continuous Galerkin
9 : : \details This file implements the physics operators governing compressible
10 : : single-material flow using continuous Galerkin discretization.
11 : : */
12 : : // *****************************************************************************
13 : : #ifndef CGCompFlow_h
14 : : #define CGCompFlow_h
15 : :
16 : : #include <cmath>
17 : : #include <algorithm>
18 : : #include <unordered_set>
19 : : #include <unordered_map>
20 : :
21 : : #include "DerivedData.hpp"
22 : : #include "Exception.hpp"
23 : : #include "Vector.hpp"
24 : : #include "Mesh/Around.hpp"
25 : : #include "Reconstruction.hpp"
26 : : #include "Problem/FieldOutput.hpp"
27 : : #include "Problem/BoxInitialization.hpp"
28 : : #include "Riemann/Rusanov.hpp"
29 : : #include "NodeBC.hpp"
30 : : #include "EoS/EOS.hpp"
31 : : #include "History.hpp"
32 : : #include "Table.hpp"
33 : :
34 : : namespace inciter {
35 : :
36 : : extern ctr::InputDeck g_inputdeck;
37 : :
38 : : namespace cg {
39 : :
40 : : //! \brief CompFlow used polymorphically with tk::CGPDE
41 : : //! \details The template arguments specify policies and are used to configure
42 : : //! the behavior of the class. The policies are:
43 : : //! - Physics - physics configuration, see PDE/CompFlow/Physics.h
44 : : //! - Problem - problem configuration, see PDE/CompFlow/Problems.h
45 : : //! \note The default physics is Euler, set in inciter::deck::check_compflow()
46 : : template< class Physics, class Problem >
47 : : class CompFlow {
48 : :
49 : : private:
50 : : using ncomp_t = tk::ncomp_t;
51 : : using eq = tag::compflow;
52 : : using real = tk::real;
53 : :
54 : : static constexpr std::size_t m_ncomp = 5;
55 : : static constexpr real muscl_eps = 1.0e-9;
56 : : static constexpr real muscl_const = 1.0/3.0;
57 : : static constexpr real muscl_m1 = 1.0 - muscl_const;
58 : : static constexpr real muscl_p1 = 1.0 + muscl_const;
59 : :
60 : : public:
61 : : //! \brief Constructor
62 : 249 : explicit CompFlow() :
63 : : m_physics(),
64 : : m_problem(),
65 : : m_fr(),
66 : : m_fp(),
67 : 249 : m_fu()
68 : : {
69 [ - + ][ - - ]: 249 : Assert( g_inputdeck.get< tag::ncomp >() == m_ncomp,
[ - - ][ - - ]
[ - - ]
70 : : "Number of CompFlow PDE components must be " + std::to_string(m_ncomp) );
71 : :
72 : : // EoS initialization
73 : : const auto& matprop =
74 : 249 : g_inputdeck.get< tag::material >();
75 : : const auto& matidxmap =
76 : 249 : g_inputdeck.get< tag::matidxmap >();
77 : 249 : auto mateos = matprop[matidxmap.get< tag::eosidx >()[0]].get<tag::eos>();
78 [ + - ]: 249 : m_mat_blk.emplace_back( mateos, EqType::compflow, 0 );
79 : :
80 : : // Boundary condition configurations
81 [ + + ]: 506 : for (const auto& bci : g_inputdeck.get< tag::bc >()) {
82 : : // freestream quantities
83 : 257 : m_fr = bci.get< tag::density >();
84 : 257 : m_fp = bci.get< tag::pressure >();
85 [ + - ]: 257 : m_fu = bci.get< tag::velocity >();
86 : : }
87 : 249 : }
88 : :
89 : : //! Determine nodes that lie inside the user-defined IC box and mesh blocks
90 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
91 : : //! \param[in] inpoel Element node connectivity
92 : : //! \param[in,out] inbox List of nodes at which box user ICs are set for
93 : : //! each IC box
94 : : //! \param[in] elemblkid Element ids associated with mesh block ids where
95 : : //! user ICs are set
96 : : //! \param[in,out] nodeblkid Node ids associated to mesh block ids, where
97 : : //! user ICs are set
98 : : //! \param[in,out] nuserblk number of mesh blocks where user ICs are set
99 : 722 : void IcBoxNodes( const tk::UnsMesh::Coords& coord,
100 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
101 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::set< std::size_t > >& elemblkid,
102 : : std::vector< std::unordered_set< std::size_t > >& inbox,
103 : : std::unordered_map< std::size_t, std::set< std::size_t > >& nodeblkid,
104 : : std::size_t& nuserblk ) const
105 : : {
106 : 722 : const auto& x = coord[0];
107 : 722 : const auto& y = coord[1];
108 : 722 : const auto& z = coord[2];
109 : :
110 : : // Detect if user has configured IC boxes
111 : 722 : const auto& icbox = g_inputdeck.get<tag::ic, tag::box>();
112 [ + + ]: 722 : if (!icbox.empty()) {
113 : 5 : std::size_t bcnt = 0;
114 [ + + ]: 11 : for (const auto& b : icbox) { // for all boxes for this eq
115 [ + - ]: 6 : inbox.emplace_back();
116 [ + - ]: 6 : std::vector< tk::real > box
117 : 6 : { b.template get< tag::xmin >(), b.template get< tag::xmax >(),
118 : 6 : b.template get< tag::ymin >(), b.template get< tag::ymax >(),
119 : 6 : b.template get< tag::zmin >(), b.template get< tag::zmax >() };
120 : :
121 : : // Determine orientation of box
122 : 18 : std::array< tk::real, 3 > b_orientn{{
123 : 6 : b.template get< tag::orientation >()[0],
124 : 6 : b.template get< tag::orientation >()[1],
125 : 6 : b.template get< tag::orientation >()[2] }};
126 : 6 : std::array< tk::real, 3 > b_centroid{{ 0.5*(box[0]+box[1]),
127 : 6 : 0.5*(box[2]+box[3]), 0.5*(box[4]+box[5]) }};
128 : :
129 : 6 : const auto eps = std::numeric_limits< tk::real >::epsilon();
130 : : // Determine which nodes lie in the IC box
131 [ + - ][ + - ]: 18 : if ( std::any_of( begin(box), end(box), [=](auto p)
132 : 6 : { return abs(p) > eps; } ) )
133 : : {
134 : : // Transform box to reference space
135 : 6 : std::array< tk::real, 3 > b_min{{box[0], box[2], box[4]}};
136 : 6 : std::array< tk::real, 3 > b_max{{box[1], box[3], box[5]}};
137 : 6 : tk::movePoint(b_centroid, b_min);
138 : 6 : tk::movePoint(b_centroid, b_max);
139 : :
140 [ + + ]: 5137 : for (ncomp_t i=0; i<x.size(); ++i) {
141 : 5131 : std::array< tk::real, 3 > node{{ x[i], y[i], z[i] }};
142 : : // Transform node to reference space of box
143 : 5131 : tk::movePoint(b_centroid, node);
144 : 5131 : tk::rotatePoint({{-b_orientn[0], -b_orientn[1], -b_orientn[2]}},
145 : : node);
146 [ + + ]: 6971 : if ( node[0]>b_min[0] && node[0]<b_max[0] &&
147 [ + + ][ + + ]: 1598 : node[1]>b_min[1] && node[1]<b_max[1] &&
148 [ + + ][ + + ]: 6971 : node[2]>b_min[2] && node[2]<b_max[2] )
[ + + ][ + + ]
149 : : {
150 [ + - ]: 759 : inbox[bcnt].insert( i );
151 : : }
152 : : }
153 : : }
154 : 6 : ++bcnt;
155 : : }
156 : : }
157 : :
158 : : // size IC mesh blocks volume vector
159 : 722 : const auto& mblks = g_inputdeck.get< tag::ic, tag::meshblock >();
160 : : // if mesh blocks have been specified for this system
161 [ - + ]: 722 : if (!mblks.empty()) {
162 : 0 : std::size_t idMax(0);
163 [ - - ]: 0 : for (const auto& imb : mblks) {
164 : 0 : idMax = std::max(idMax, imb.get< tag::blockid >());
165 : : }
166 : : // size is idMax+1 since block ids are usually 1-based
167 : 0 : nuserblk = nuserblk+idMax+1;
168 : : }
169 : :
170 : : // determine node set for IC mesh blocks
171 [ + + ]: 1450 : for (const auto& [blid, elset] : elemblkid) {
172 [ + - ]: 728 : if (!elset.empty()) {
173 [ + - ]: 728 : auto& ndset = nodeblkid[blid];
174 [ + + ]: 179414 : for (auto ie : elset) {
175 [ + + ][ + - ]: 893430 : for (std::size_t i=0; i<4; ++i) ndset.insert(inpoel[4*ie+i]);
176 : : }
177 : : }
178 : : }
179 : 722 : }
180 : :
181 : : //! Initalize the compressible flow equations, prepare for time integration
182 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
183 : : //! \param[in,out] unk Array of unknowns
184 : : //! \param[in] t Physical time
185 : : //! \param[in] V Discrete volume of user-defined IC box
186 : : //! \param[in] inbox List of nodes at which box user ICs are set (for each
187 : : //! box IC)
188 : : //! \param[in] nodeblkid Node ids associated to mesh block ids, where
189 : : //! user ICs are set
190 : : //! \param[in] blkvols Vector of discrete volumes of each block where user
191 : : //! ICs are set
192 : 738 : void initialize(
193 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
194 : : tk::Fields& unk,
195 : : real t,
196 : : real V,
197 : : const std::vector< std::unordered_set< std::size_t > >& inbox,
198 : : const std::vector< tk::real >& blkvols,
199 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::set< std::size_t > >&
200 : : nodeblkid ) const
201 : : {
202 [ - + ][ - - ]: 738 : Assert( coord[0].size() == unk.nunk(), "Size mismatch" );
[ - - ][ - - ]
203 : :
204 : 738 : const auto& x = coord[0];
205 : 738 : const auto& y = coord[1];
206 : 738 : const auto& z = coord[2];
207 : :
208 : 738 : const auto& ic = g_inputdeck.get< tag::ic >();
209 : 738 : const auto& icbox = ic.get< tag::box >();
210 : 738 : const auto& mblks = ic.get< tag::meshblock >();
211 : :
212 : 738 : const auto eps = 1000.0 * std::numeric_limits< tk::real >::epsilon();
213 : :
214 : 738 : tk::real bgpre = ic.get< tag::pressure >();
215 : :
216 : 738 : auto c_v = getmatprop< tag::cv >();
217 : :
218 : : // Set initial and boundary conditions using problem policy
219 [ + + ]: 66904 : for (ncomp_t i=0; i<x.size(); ++i) {
220 [ + - ]: 66166 : auto s = Problem::initialize( m_ncomp, m_mat_blk, x[i], y[i], z[i], t );
221 : :
222 : : // initialize the user-defined box IC
223 [ + + ]: 66166 : if (!icbox.empty()) {
224 : 4640 : std::size_t bcnt = 0;
225 [ + + ]: 9771 : for (const auto& b : icbox) { // for all boxes
226 [ + - ][ + - ]: 5131 : if (inbox.size() > bcnt && inbox[bcnt].find(i) != inbox[bcnt].end())
[ + + ][ + + ]
227 : : {
228 [ + - ]: 1518 : std::vector< tk::real > box
229 : 759 : { b.template get< tag::xmin >(), b.template get< tag::xmax >(),
230 : 759 : b.template get< tag::ymin >(), b.template get< tag::ymax >(),
231 : 759 : b.template get< tag::zmin >(), b.template get< tag::zmax >() };
232 : 759 : auto V_ex = (box[1]-box[0]) * (box[3]-box[2]) * (box[5]-box[4]);
233 [ - + ]: 759 : if (V_ex < eps) V = 1.0;
234 [ + - ]: 759 : initializeBox<ctr::boxList>( m_mat_blk, V_ex/V,
235 : : V_ex, t, b, bgpre, c_v, s );
236 : : }
237 : 5131 : ++bcnt;
238 : : }
239 : : }
240 : :
241 : : // initialize user-defined mesh block ICs
242 [ - + ]: 66166 : for (const auto& b : mblks) { // for all blocks
243 : 0 : auto blid = b.get< tag::blockid >();
244 : 0 : auto V_ex = b.get< tag::volume >();
245 [ - - ][ - - ]: 0 : if (blid >= blkvols.size()) Throw("Block volume not found");
[ - - ][ - - ]
246 [ - - ][ - - ]: 0 : if (nodeblkid.find(blid) != nodeblkid.end()) {
247 [ - - ]: 0 : const auto& ndset = tk::cref_find(nodeblkid, blid);
248 [ - - ][ - - ]: 0 : if (ndset.find(i) != ndset.end()) {
249 [ - - ]: 0 : initializeBox<ctr::meshblockList>( m_mat_blk,
250 : 0 : V_ex/blkvols[blid], V_ex, t, b, bgpre, c_v, s );
251 : : }
252 : : }
253 : : }
254 : :
255 [ + - ]: 66166 : unk(i,0) = s[0]; // rho
256 [ + - ]: 66166 : unk(i,1) = s[1]; // rho * u
257 [ + - ]: 66166 : unk(i,2) = s[2]; // rho * v
258 [ + - ]: 66166 : unk(i,3) = s[3]; // rho * w
259 [ + - ]: 66166 : unk(i,4) = s[4]; // rho * e, e: total = kinetic + internal
260 : : }
261 : 738 : }
262 : :
263 : : //! Query the fluid velocity
264 : : //! \param[in] u Solution vector of conserved variables
265 : : //! \param[in,out] v Velocity components
266 : 28461 : void velocity( const tk::Fields& u, tk::UnsMesh::Coords& v ) const {
267 [ + + ]: 113844 : for (std::size_t j=0; j<3; ++j) {
268 : : // extract momentum
269 : 85383 : v[j] = u.extract_comp( 1+j );
270 [ - + ][ - - ]: 85383 : Assert( v[j].size() == u.nunk(), "Size mismatch" );
[ - - ][ - - ]
271 : : // divide by density
272 [ + + ]: 11017068 : for (std::size_t i=0; i<u.nunk(); ++i) v[j][i] /= u(i,0);
273 : : }
274 : 28461 : }
275 : :
276 : : //! Query the sound speed
277 : : //! \param[in] U Solution vector of conserved variables
278 : : //! \param[in,out] s Speed of sound in mesh nodes
279 : 28461 : void soundspeed( const tk::Fields& U, std::vector< tk::real >& s ) const {
280 : 28461 : s.resize( U.nunk() );
281 [ + + ]: 3672356 : for (std::size_t i=0; i<U.nunk(); ++i) {
282 [ + - ]: 3643895 : auto r = U(i,0);
283 [ + - ]: 3643895 : auto ru = U(i,1);
284 [ + - ]: 3643895 : auto rv = U(i,2);
285 [ + - ]: 3643895 : auto rw = U(i,3);
286 [ + - ]: 3643895 : auto re = U(i,4);
287 [ + - ]: 3643895 : auto p = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >(r, ru/r, rv/r, rw/r, re);
288 [ + - ]: 3643895 : s[i] = m_mat_blk[0].compute< EOS::soundspeed >( r, p );
289 : : }
290 : 28461 : }
291 : :
292 : : //! Return analytic solution (if defined by Problem) at xi, yi, zi, t
293 : : //! \param[in] xi X-coordinate
294 : : //! \param[in] yi Y-coordinate
295 : : //! \param[in] zi Z-coordinate
296 : : //! \param[in] t Physical time
297 : : //! \return Vector of analytic solution at given location and time
298 : : std::vector< real >
299 : 25005 : analyticSolution( real xi, real yi, real zi, real t ) const
300 : 25005 : { return Problem::analyticSolution( m_ncomp, m_mat_blk, xi, yi, zi, t ); }
301 : :
302 : : //! Return analytic solution for conserved variables
303 : : //! \param[in] xi X-coordinate at which to evaluate the analytic solution
304 : : //! \param[in] yi Y-coordinate at which to evaluate the analytic solution
305 : : //! \param[in] zi Z-coordinate at which to evaluate the analytic solution
306 : : //! \param[in] t Physical time at which to evaluate the analytic solution
307 : : //! \return Vector of analytic solution at given location and time
308 : : std::vector< tk::real >
309 : 922186 : solution( tk::real xi, tk::real yi, tk::real zi, tk::real t ) const
310 : 922186 : { return Problem::initialize( m_ncomp, m_mat_blk, xi, yi, zi, t ); }
311 : :
312 : : //! \brief Compute nodal gradients of primitive variables for ALECG along
313 : : //! chare-boundary
314 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
315 : : //! \param[in] inpoel Mesh element connectivity
316 : : //! \param[in] bndel List of elements contributing to chare-boundary nodes
317 : : //! \param[in] gid Local->global node id map
318 : : //! \param[in] bid Local chare-boundary node ids (value) associated to
319 : : //! global node ids (key)
320 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
321 : : //! \param[in,out] G Nodal gradients of primitive variables
322 : : //! \details This function only computes local contributions to gradients
323 : : //! at chare-boundary nodes. Internal node gradients are calculated as
324 : : //! required, and do not need to be stored.
325 : 37026 : void chBndGrad( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
326 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
327 : : const std::vector< std::size_t >& bndel,
328 : : const std::vector< std::size_t >& gid,
329 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::size_t >& bid,
330 : : const tk::Fields& U,
331 : : tk::Fields& G ) const
332 : : {
333 [ - + ][ - - ]: 37026 : Assert( U.nunk() == coord[0].size(), "Number of unknowns in solution "
[ - - ][ - - ]
334 : : "vector at recent time step incorrect" );
335 : :
336 : : // compute gradients of primitive variables in points
337 : 37026 : G.fill( 0.0 );
338 : :
339 : : // access node cooordinates
340 : 37026 : const auto& x = coord[0];
341 : 37026 : const auto& y = coord[1];
342 : 37026 : const auto& z = coord[2];
343 : :
344 [ + + ]: 4610796 : for (auto e : bndel) { // elements contributing to chare boundary nodes
345 : : // access node IDs
346 : 4573770 : std::size_t N[4] =
347 : 4573770 : { inpoel[e*4+0], inpoel[e*4+1], inpoel[e*4+2], inpoel[e*4+3] };
348 : : // compute element Jacobi determinant, J = 6V
349 : 4573770 : real bax = x[N[1]]-x[N[0]];
350 : 4573770 : real bay = y[N[1]]-y[N[0]];
351 : 4573770 : real baz = z[N[1]]-z[N[0]];
352 : 4573770 : real cax = x[N[2]]-x[N[0]];
353 : 4573770 : real cay = y[N[2]]-y[N[0]];
354 : 4573770 : real caz = z[N[2]]-z[N[0]];
355 : 4573770 : real dax = x[N[3]]-x[N[0]];
356 : 4573770 : real day = y[N[3]]-y[N[0]];
357 : 4573770 : real daz = z[N[3]]-z[N[0]];
358 : 4573770 : auto J = tk::triple( bax, bay, baz, cax, cay, caz, dax, day, daz );
359 [ - + ][ - - ]: 4573770 : ErrChk( J > 0, "Element Jacobian non-positive" );
[ - - ][ - - ]
360 : 4573770 : auto J24 = J/24.0;
361 : : // shape function derivatives, nnode*ndim [4][3]
362 : : real g[4][3];
363 : 4573770 : tk::crossdiv( cax, cay, caz, dax, day, daz, J,
364 : : g[1][0], g[1][1], g[1][2] );
365 : 4573770 : tk::crossdiv( dax, day, daz, bax, bay, baz, J,
366 : : g[2][0], g[2][1], g[2][2] );
367 : 4573770 : tk::crossdiv( bax, bay, baz, cax, cay, caz, J,
368 : : g[3][0], g[3][1], g[3][2] );
369 [ + + ]: 18295080 : for (std::size_t i=0; i<3; ++i)
370 : 13721310 : g[0][i] = -g[1][i] - g[2][i] - g[3][i];
371 : : // scatter-add gradient contributions to boundary nodes
372 [ + + ]: 22868850 : for (std::size_t a=0; a<4; ++a) {
373 [ + - ]: 18295080 : auto i = bid.find( gid[N[a]] );
374 [ + + ]: 18295080 : if (i != end(bid)) {
375 : : real u[5];
376 [ + + ]: 59976840 : for (std::size_t b=0; b<4; ++b) {
377 [ + - ]: 47981472 : u[0] = U(N[b],0);
378 [ + - ]: 47981472 : u[1] = U(N[b],1)/u[0];
379 [ + - ]: 47981472 : u[2] = U(N[b],2)/u[0];
380 [ + - ]: 47981472 : u[3] = U(N[b],3)/u[0];
381 [ + - ]: 47981472 : u[4] = U(N[b],4)/u[0]
382 : 47981472 : - 0.5*(u[1]*u[1] + u[2]*u[2] + u[3]*u[3]);
383 [ + + ]: 287888832 : for (std::size_t c=0; c<5; ++c)
384 [ + + ]: 959629440 : for (std::size_t j=0; j<3; ++j)
385 [ + - ]: 719722080 : G(i->second,c*3+j) += J24 * g[b][j] * u[c];
386 : : }
387 : : }
388 : : }
389 : : }
390 : 37026 : }
391 : :
392 : : //! Compute right hand side for ALECG
393 : : //! \param[in] t Physical time
394 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
395 : : //! \param[in] inpoel Mesh element connectivity
396 : : //! \param[in] triinpoel Boundary triangle face connecitivity with local ids
397 : : //! \param[in] bid Local chare-boundary node ids (value) associated to
398 : : //! global node ids (key)
399 : : //! \param[in] gid Local->glocal node ids
400 : : //! \param[in] lid Global->local node ids
401 : : //! \param[in] dfn Dual-face normals
402 : : //! \param[in] psup Points surrounding points
403 : : //! \param[in] esup Elements surrounding points
404 : : //! \param[in] symbctri Vector with 1 at symmetry BC boundary triangles
405 : : //! \param[in] slipwallbctri Vector with 1 at slip BC boundary triangles
406 : : //! \param[in] vol Nodal volumes
407 : : //! \param[in] edgenode Local node IDs of edges
408 : : //! \param[in] edgeid Edge ids in the order of access
409 : : //! \param[in] boxnodes Mesh node ids within user-defined IC boxes
410 : : //! \param[in] G Nodal gradients for chare-boundary nodes
411 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
412 : : //! \param[in] W Mesh velocity
413 : : //! \param[in] tp Physical time for each mesh node
414 : : //! \param[in] V Total box volume
415 : : //! \param[in,out] R Right-hand side vector computed
416 : : //! \param[in,out] srcFlag Whether the energy source was added
417 : 37026 : void rhs( real t,
418 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
419 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
420 : : const std::vector< std::size_t >& triinpoel,
421 : : const std::vector< std::size_t >& gid,
422 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::size_t >& bid,
423 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::size_t >& lid,
424 : : const std::vector< real >& dfn,
425 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
426 : : std::vector< std::size_t > >& psup,
427 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
428 : : std::vector< std::size_t > >& esup,
429 : : const std::vector< int >& symbctri,
430 : : const std::vector< int >& slipwallbctri,
431 : : const std::vector< real >& vol,
432 : : const std::vector< std::size_t >& edgenode,
433 : : const std::vector< std::size_t >& edgeid,
434 : : const std::vector< std::unordered_set< std::size_t > >& boxnodes,
435 : : const tk::Fields& G,
436 : : const tk::Fields& U,
437 : : const tk::Fields& W,
438 : : const std::vector< tk::real >& tp,
439 : : real V,
440 : : tk::Fields& R,
441 : : std::vector< int >& srcFlag ) const
442 : : {
443 [ - + ][ - - ]: 37026 : Assert( G.nprop() == m_ncomp*3,
[ - - ][ - - ]
444 : : "Number of components in gradient vector incorrect" );
445 [ - + ][ - - ]: 37026 : Assert( U.nunk() == coord[0].size(), "Number of unknowns in solution "
[ - - ][ - - ]
446 : : "vector at recent time step incorrect" );
447 [ - + ][ - - ]: 37026 : Assert( R.nunk() == coord[0].size(),
[ - - ][ - - ]
448 : : "Number of unknowns and/or number of components in right-hand "
449 : : "side vector incorrect" );
450 [ - + ][ - - ]: 37026 : Assert( W.nunk() == coord[0].size(), "Size mismatch " );
[ - - ][ - - ]
451 : :
452 : : // compute/assemble gradients in points
453 [ + - ]: 74052 : auto Grad = nodegrad( coord, inpoel, lid, bid, vol, esup, U, G );
454 : :
455 : : // zero right hand side for all components
456 [ + + ][ + - ]: 222156 : for (ncomp_t c=0; c<m_ncomp; ++c) R.fill( c, 0.0 );
457 : :
458 : : // compute domain-edge integral
459 [ + - ]: 37026 : domainint( coord, gid, edgenode, edgeid, psup, dfn, U, W, Grad, R );
460 : :
461 : : // compute boundary integrals
462 [ + - ]: 37026 : bndint( coord, triinpoel, symbctri, slipwallbctri, U, W, R );
463 : :
464 : : // compute external (energy) sources
465 [ + + ]: 3984942 : for (auto& is : srcFlag) is = 0; // reset energy source flag
466 [ + - ]: 37026 : boxSrc( V, t, inpoel, esup, boxnodes, coord, R, srcFlag );
467 : :
468 : : // compute optional source integral
469 [ + - ]: 37026 : src( coord, inpoel, t, tp, R );
470 : 37026 : }
471 : :
472 : : //! Compute boundary pressure integrals (force) for rigid body motion
473 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
474 : : //! \param[in] triinpoel Boundary triangle face connecitivity with local ids
475 : : //! \param[in] slipwallbctri Vector with 1 at symmetry BC boundary triangles
476 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
477 : : //! \param[in] CM Center of mass
478 : : //! \param[in,out] F Force vector (appended with torque vector) computed
479 : 0 : void bndPressureInt(
480 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
481 : : const std::vector< std::size_t >& triinpoel,
482 : : const std::vector< int >& slipwallbctri,
483 : : const tk::Fields& U,
484 : : const std::array< tk::real, 3 >& CM,
485 : : std::vector< real >& F ) const
486 : : {
487 : :
488 : : // access node coordinates
489 : 0 : const auto& x = coord[0];
490 : 0 : const auto& y = coord[1];
491 : 0 : const auto& z = coord[2];
492 : :
493 : : // boundary integrals: compute surface integral of pressure (=force)
494 [ - - ]: 0 : for (std::size_t e=0; e<triinpoel.size()/3; ++e) {
495 [ - - ]: 0 : if (slipwallbctri[e]) {
496 : : // access node IDs
497 : 0 : std::size_t N[3] =
498 : 0 : { triinpoel[e*3+0], triinpoel[e*3+1], triinpoel[e*3+2] };
499 : : // access solution at element nodes
500 [ - - ]: 0 : real rA = U(N[0],0);
501 [ - - ]: 0 : real rB = U(N[1],0);
502 [ - - ]: 0 : real rC = U(N[2],0);
503 [ - - ]: 0 : real ruA = U(N[0],1);
504 [ - - ]: 0 : real ruB = U(N[1],1);
505 [ - - ]: 0 : real ruC = U(N[2],1);
506 [ - - ]: 0 : real rvA = U(N[0],2);
507 [ - - ]: 0 : real rvB = U(N[1],2);
508 [ - - ]: 0 : real rvC = U(N[2],2);
509 [ - - ]: 0 : real rwA = U(N[0],3);
510 [ - - ]: 0 : real rwB = U(N[1],3);
511 [ - - ]: 0 : real rwC = U(N[2],3);
512 [ - - ]: 0 : real reA = U(N[0],4);
513 [ - - ]: 0 : real reB = U(N[1],4);
514 [ - - ]: 0 : real reC = U(N[2],4);
515 : : // compute face normal
516 : : real nx, ny, nz;
517 : 0 : tk::normal( x[N[0]], x[N[1]], x[N[2]],
518 : : y[N[0]], y[N[1]], y[N[2]],
519 : : z[N[0]], z[N[1]], z[N[2]],
520 : : nx, ny, nz );
521 : : // compute boundary pressures
522 : 0 : auto p = (
523 [ - - ]: 0 : m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >(rA, ruA/rA, rvA/rA, rwA/rA, reA) +
524 [ - - ]: 0 : m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >(rB, ruB/rB, rvB/rB, rwB/rB, reB) +
525 [ - - ]: 0 : m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >(rC, ruC/rC, rvC/rC, rwC/rC, reC)
526 : : ) / 3.0;
527 : : // compute face area
528 : 0 : auto Ae = tk::area( x[N[0]], x[N[1]], x[N[2]],
529 : : y[N[0]], y[N[1]], y[N[2]],
530 : : z[N[0]], z[N[1]], z[N[2]] );
531 : : // contribute to force vector
532 : 0 : F[0] += p * Ae * nx;
533 : 0 : F[1] += p * Ae * ny;
534 : 0 : F[2] += p * Ae * nz;
535 : :
536 : : // contribute to torque vector
537 : 0 : std::array< tk::real, 3 > rCM{{
538 : 0 : (x[N[0]]+x[N[1]]+x[N[2]])/3.0 - CM[0],
539 : 0 : (y[N[0]]+y[N[1]]+y[N[2]])/3.0 - CM[1],
540 : 0 : (z[N[0]]+z[N[1]]+z[N[2]])/3.0 - CM[2] }};
541 : :
542 : 0 : auto torque = tk::cross(rCM, {{p*Ae*nx, p*Ae*ny, p*Ae*nz}});
543 [ - - ]: 0 : for (std::size_t i=0; i<3; ++i) F[i+3] += torque[i];
544 : : }
545 : : }
546 : 0 : }
547 : :
548 : : //! Compute the minimum time step size (for unsteady time stepping)
549 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
550 : : //! \param[in] inpoel Mesh element connectivity
551 : : // //! \param[in] t Physical time
552 : : //! \param[in] dtn Time step size at the previous time step
553 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
554 : : //! \param[in] vol Nodal volume (with contributions from other chares)
555 : : //! \param[in] voln Nodal volume (with contributions from other chares) at
556 : : //! the previous time step
557 : : //! \param[in] srcFlag Whether the energy source was added
558 : : //! \return Minimum time step size
559 : 6302 : real dt( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
560 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
561 : : tk::real /*t*/,
562 : : tk::real dtn,
563 : : const tk::Fields& U,
564 : : const std::vector< tk::real >& vol,
565 : : const std::vector< tk::real >& voln,
566 : : const std::vector< int >& srcFlag ) const
567 : : {
568 [ - + ][ - - ]: 6302 : Assert( U.nunk() == coord[0].size(), "Number of unknowns in solution "
[ - - ][ - - ]
569 : : "vector at recent time step incorrect" );
570 : :
571 : : // energy source propagation time and velocity
572 : 6302 : const auto& icbox = g_inputdeck.get< tag::ic, tag::box >();
573 : :
574 : 6302 : const auto& x = coord[0];
575 : 6302 : const auto& y = coord[1];
576 : 6302 : const auto& z = coord[2];
577 : :
578 : : // ratio of specific heats
579 [ + - ]: 6302 : auto g = getmatprop< tag::gamma >();
580 : :
581 : : // energy source propagation velocity (in all IC boxes configured)
582 : 6302 : real vFront(0.0);
583 [ + + ]: 6302 : if (!icbox.empty()) {
584 [ + + ]: 830 : for (const auto& b : icbox) { // for all boxes for this eq
585 : 420 : const auto& initiate = b.template get< tag::initiate >();
586 [ + + ]: 420 : if (initiate == ctr::InitiateType::LINEAR) {
587 : 400 : vFront = std::max(vFront,
588 : 400 : b.template get< tag::front_speed >());
589 : : }
590 : : }
591 : : }
592 : :
593 : : // compute the minimum dt across all elements we own
594 : 6302 : real mindt = std::numeric_limits< real >::max();
595 [ + + ]: 3597107 : for (std::size_t e=0; e<inpoel.size()/4; ++e) {
596 : 3590805 : const std::array< std::size_t, 4 > N{{ inpoel[e*4+0], inpoel[e*4+1],
597 : 3590805 : inpoel[e*4+2], inpoel[e*4+3] }};
598 : : // compute cubic root of element volume as the characteristic length
599 : : const std::array< real, 3 >
600 : 3590805 : ba{{ x[N[1]]-x[N[0]], y[N[1]]-y[N[0]], z[N[1]]-z[N[0]] }},
601 : 3590805 : ca{{ x[N[2]]-x[N[0]], y[N[2]]-y[N[0]], z[N[2]]-z[N[0]] }},
602 : 3590805 : da{{ x[N[3]]-x[N[0]], y[N[3]]-y[N[0]], z[N[3]]-z[N[0]] }};
603 : 3590805 : const auto L = std::cbrt( tk::triple( ba, ca, da ) / 6.0 );
604 : : // access solution at element nodes at recent time step
605 : : std::array< std::array< real, 4 >, m_ncomp > u;
606 [ + + ][ + - ]: 21544830 : for (ncomp_t c=0; c<m_ncomp; ++c) u[c] = U.extract( c, N );
607 : : // compute the maximum length of the characteristic velocity (fluid
608 : : // velocity + sound velocity) across the four element nodes
609 : 3590805 : real maxvel = 0.0;
610 [ + + ]: 17954025 : for (std::size_t j=0; j<4; ++j) {
611 : 14363220 : auto& r = u[0][j]; // rho
612 : 14363220 : auto& ru = u[1][j]; // rho * u
613 : 14363220 : auto& rv = u[2][j]; // rho * v
614 : 14363220 : auto& rw = u[3][j]; // rho * w
615 : 14363220 : auto& re = u[4][j]; // rho * e
616 [ + - ]: 14363220 : auto p = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( r, ru/r, rv/r, rw/r,
617 : : re );
618 [ - + ]: 14363220 : if (p < 0) p = 0.0;
619 [ + - ]: 14363220 : auto c = m_mat_blk[0].compute< EOS::soundspeed >( r, p );
620 : 14363220 : auto v = std::sqrt((ru*ru + rv*rv + rw*rw)/r/r) + c; // char. velocity
621 : :
622 [ + + ][ + + ]: 14363220 : if (srcFlag[N[j]] > 0 && std::abs(vFront) > 1e-8) {
[ + + ]
623 : 72859 : v = std::max(v, std::fabs(vFront));
624 : : }
625 : :
626 [ + + ]: 14363220 : if (v > maxvel) maxvel = v;
627 : : }
628 : : // compute element dt for the Euler equations
629 : 3590805 : auto euler_dt = L / maxvel;
630 : : // compute element dt based on the viscous force
631 : 3590805 : auto viscous_dt = m_physics.viscous_dt( L, u );
632 : : // compute element dt based on thermal diffusion
633 : 3590805 : auto conduct_dt = m_physics.conduct_dt( L, g, u );
634 : : // compute minimum element dt
635 : 3590805 : auto elemdt = std::min( euler_dt, std::min( viscous_dt, conduct_dt ) );
636 : : // find minimum dt across all elements
637 : 3590805 : mindt = std::min( elemdt, mindt );
638 : : }
639 : 6302 : mindt *= g_inputdeck.get< tag::cfl >();
640 : :
641 : : // compute the minimum dt across all nodes we contribute to due to volume
642 : : // change in time
643 : 6302 : auto dvcfl = g_inputdeck.get< tag::ale, tag::dvcfl >();
644 [ + + ][ + + ]: 6302 : if (dtn > 0.0 && dvcfl > 0.0) {
645 [ - + ][ - - ]: 298 : Assert( vol.size() == voln.size(), "Size mismatch" );
[ - - ][ - - ]
646 [ + + ]: 375342 : for (std::size_t p=0; p<vol.size(); ++p) {
647 : 750088 : auto vol_dt = dtn *
648 : 375044 : std::min(voln[p],vol[p]) / std::abs(voln[p]-vol[p]+1.0e-14);
649 : 375044 : mindt = std::min( vol_dt, mindt );
650 : : }
651 : 298 : mindt *= dvcfl;
652 : : }
653 : :
654 : 6302 : return mindt;
655 : : }
656 : :
657 : : //! Compute a time step size for each mesh node (for steady time stepping)
658 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
659 : : //! \param[in] vol Nodal volume (with contributions from other chares)
660 : : //! \param[in,out] dtp Time step size for each mesh node
661 : 200 : void dt( uint64_t,
662 : : const std::vector< tk::real >& vol,
663 : : const tk::Fields& U,
664 : : std::vector< tk::real >& dtp ) const
665 : : {
666 [ + + ]: 22520 : for (std::size_t i=0; i<U.nunk(); ++i) {
667 : : // compute cubic root of element volume as the characteristic length
668 : 22320 : const auto L = std::cbrt( vol[i] );
669 : : // access solution at node p at recent time step
670 [ + - ]: 22320 : const auto u = U[i];
671 : : // compute pressure
672 [ + - ]: 44640 : auto p = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( u[0], u[1]/u[0],
673 : 22320 : u[2]/u[0], u[3]/u[0], u[4] );
674 [ - + ]: 22320 : if (p < 0) p = 0.0;
675 [ + - ]: 22320 : auto c = m_mat_blk[0].compute< EOS::soundspeed >( u[0], p );
676 : : // characteristic velocity
677 : 22320 : auto v = std::sqrt((u[1]*u[1] + u[2]*u[2] + u[3]*u[3])/u[0]/u[0]) + c;
678 : : // compute dt for node
679 : 22320 : dtp[i] = L / v * g_inputdeck.get< tag::cfl >();
680 : : }
681 : 200 : }
682 : :
683 : : //! \brief Query Dirichlet boundary condition value on a given side set for
684 : : //! all components in this PDE system
685 : : //! \param[in] t Physical time
686 : : //! \param[in] deltat Time step size
687 : : //! \param[in] tp Physical time for each mesh node
688 : : //! \param[in] dtp Time step size for each mesh node
689 : : //! \param[in] ss Pair of side set ID and (local) node IDs on the side set
690 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
691 : : //! \param[in] increment If true, evaluate the solution increment between
692 : : //! t and t+dt for Dirichlet BCs. If false, evlauate the solution instead.
693 : : //! \return Vector of pairs of bool and boundary condition value associated
694 : : //! to mesh node IDs at which Dirichlet boundary conditions are set. Note
695 : : //! that if increment is true, instead of the actual boundary condition
696 : : //! value, we return the increment between t+deltat and t, since,
697 : : //! depending on client code and solver, that may be what the solution
698 : : //! requires.
699 : : std::map< std::size_t, std::vector< std::pair<bool,real> > >
700 : 90927 : dirbc( real t,
701 : : real deltat,
702 : : const std::vector< tk::real >& tp,
703 : : const std::vector< tk::real >& dtp,
704 : : const std::pair< const int, std::vector< std::size_t > >& ss,
705 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
706 : : bool increment ) const
707 : : {
708 : : using NodeBC = std::vector< std::pair< bool, real > >;
709 : 90927 : std::map< std::size_t, NodeBC > bc;
710 : :
711 : : // collect sidesets across all meshes
712 : 181854 : std::vector< std::size_t > ubc;
713 [ + + ]: 181905 : for (const auto& ibc : g_inputdeck.get< tag::bc >()) {
714 [ + - ]: 90978 : ubc.insert(ubc.end(), ibc.get< tag::dirichlet >().begin(),
715 : 90978 : ibc.get< tag::dirichlet >().end());
716 : : }
717 : :
718 : 90927 : const auto steady = g_inputdeck.get< tag::steady_state >();
719 [ + + ]: 90927 : if (!ubc.empty()) {
720 [ - + ][ - - ]: 81981 : Assert( ubc.size() > 0, "Indexing out of Dirichlet BC eq-vector" );
[ - - ][ - - ]
721 : 81981 : const auto& x = coord[0];
722 : 81981 : const auto& y = coord[1];
723 : 81981 : const auto& z = coord[2];
724 [ + + ]: 573867 : for (const auto& b : ubc)
725 [ + + ]: 491886 : if (static_cast<int>(b) == ss.first)
726 [ + + ]: 2057907 : for (auto n : ss.second) {
727 [ - + ][ - - ]: 1975935 : Assert( x.size() > n, "Indexing out of coordinate array" );
[ - - ][ - - ]
728 [ + + ]: 1975935 : if (steady) { t = tp[n]; deltat = dtp[n]; }
729 [ - + ][ - - ]: 3951870 : auto s = increment ?
[ - + ][ - - ]
730 [ - - ]: 0 : solinc( m_ncomp, m_mat_blk, x[n], y[n], z[n],
731 : : t, deltat, Problem::initialize ) :
732 [ + - ]: 1975935 : Problem::initialize( m_ncomp, m_mat_blk, x[n], y[n],
733 : : z[n], t+deltat );
734 [ + - ][ + - ]: 3951870 : bc[n] = {{ {true,s[0]}, {true,s[1]}, {true,s[2]}, {true,s[3]},
735 : 1975935 : {true,s[4]} }};
736 : : }
737 : : }
738 : 181854 : return bc;
739 : : }
740 : :
741 : : //! Set symmetry boundary conditions at nodes
742 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
743 : : //! \param[in] bnorm Face normals in boundary points, key local node id,
744 : : //! first 3 reals of value: unit normal, outer key: side set id
745 : : //! \param[in] nodes Unique set of node ids at which to set symmetry BCs
746 : : void
747 : 49345 : symbc( tk::Fields& U,
748 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >&,
749 : : const std::unordered_map< int,
750 : : std::unordered_map< std::size_t, std::array< real, 4 > > >& bnorm,
751 : : const std::unordered_set< std::size_t >& nodes ) const
752 : : {
753 : : // collect sidesets across all meshes
754 : 98690 : std::vector< std::size_t > sbc;
755 [ + + ]: 98714 : for (const auto& ibc : g_inputdeck.get< tag::bc >()) {
756 [ + - ]: 49369 : sbc.insert(sbc.end(), ibc.get< tag::symmetry >().begin(),
757 : 49369 : ibc.get< tag::symmetry >().end());
758 : : }
759 : :
760 [ + + ]: 49345 : if (sbc.size() > 0) { // use symbcs for this system
761 [ + + ]: 1564907 : for (auto p : nodes) { // for all symbc nodes
762 : : // for all user-def symbc sets
763 [ + + ]: 5947246 : for (std::size_t s=0; s<sbc.size(); ++s) {
764 : : // find nodes & normals for side
765 [ + - ]: 4385750 : auto j = bnorm.find(static_cast<int>(sbc[s]));
766 [ + + ]: 4385750 : if (j != end(bnorm)) {
767 [ + - ]: 3557040 : auto i = j->second.find(p); // find normal for node
768 [ + + ]: 3557040 : if (i != end(j->second)) {
769 : : std::array< real, 3 >
770 : 1662800 : n{ i->second[0], i->second[1], i->second[2] },
771 [ + - ][ + - ]: 1662800 : v{ U(p,1), U(p,2), U(p,3) };
[ + - ]
772 : 1662800 : auto v_dot_n = tk::dot( v, n );
773 : : // symbc: remove normal component of velocity
774 [ + - ]: 1662800 : U(p,1) -= v_dot_n * n[0];
775 [ + - ]: 1662800 : U(p,2) -= v_dot_n * n[1];
776 [ + - ]: 1662800 : U(p,3) -= v_dot_n * n[2];
777 : : }
778 : : }
779 : : }
780 : : }
781 : : }
782 : 49345 : }
783 : :
784 : : //! Set farfield boundary conditions at nodes
785 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
786 : : //! \param[in] bnorm Face normals in boundary points, key local node id,
787 : : //! first 3 reals of value: unit normal, outer key: side set id
788 : : //! \param[in] nodes Unique set of node ids at which to set farfield BCs
789 : : void
790 : 49336 : farfieldbc(
791 : : tk::Fields& U,
792 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >&,
793 : : const std::unordered_map< int,
794 : : std::unordered_map< std::size_t, std::array< real, 4 > > >& bnorm,
795 : : const std::unordered_set< std::size_t >& nodes ) const
796 : : {
797 : : // collect sidesets across all meshes
798 : 98672 : std::vector< std::size_t > fbc;
799 [ + + ]: 98687 : for (const auto& ibc : g_inputdeck.get< tag::bc >()) {
800 [ + - ]: 49351 : fbc.insert(fbc.end(), ibc.get< tag::farfield >().begin(),
801 : 49351 : ibc.get< tag::farfield >().end());
802 : : }
803 : :
804 [ + + ]: 49336 : if (fbc.size() > 0) // use farbcs for this system
805 [ + + ]: 174276 : for (auto p : nodes) // for all farfieldbc nodes
806 [ + + ]: 1041912 : for (const auto& s : fbc) {// for all user-def farbc sets
807 [ + - ]: 868086 : auto j = bnorm.find(static_cast<int>(s));// find nodes & normals for side
808 [ + + ]: 868086 : if (j != end(bnorm)) {
809 [ + - ]: 866091 : auto i = j->second.find(p); // find normal for node
810 [ + + ]: 866091 : if (i != end(j->second)) {
811 [ + - ]: 236791 : auto& r = U(p,0);
812 [ + - ]: 236791 : auto& ru = U(p,1);
813 [ + - ]: 236791 : auto& rv = U(p,2);
814 [ + - ]: 236791 : auto& rw = U(p,3);
815 [ + - ]: 236791 : auto& re = U(p,4);
816 : 236791 : auto vn =
817 : 236791 : (ru*i->second[0] + rv*i->second[1] + rw*i->second[2]) / r;
818 : 236791 : auto a = m_mat_blk[0].compute< EOS::soundspeed >( r,
819 [ + - ][ + - ]: 236791 : m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( r, ru/r, rv/r, rw/r,
820 : : re ) );
821 : 236791 : auto M = vn / a;
822 [ - + ]: 236791 : if (M <= -1.0) { // supersonic inflow
823 : 0 : r = m_fr;
824 : 0 : ru = m_fr * m_fu[0];
825 : 0 : rv = m_fr * m_fu[1];
826 : 0 : rw = m_fr * m_fu[2];
827 [ - - ]: 0 : re = m_mat_blk[0].compute< EOS::totalenergy >( m_fr,
828 : 0 : m_fu[0], m_fu[1], m_fu[2], m_fp );
829 [ + - ][ + + ]: 236791 : } else if (M > -1.0 && M < 0.0) { // subsonic inflow
830 : 83112 : auto pr = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >
831 [ + - ]: 83112 : ( r, ru/r, rv/r, rw/r, re );
832 : 83112 : r = m_fr;
833 : 83112 : ru = m_fr * m_fu[0];
834 : 83112 : rv = m_fr * m_fu[1];
835 : 83112 : rw = m_fr * m_fu[2];
836 [ + - ]: 83112 : re = m_mat_blk[0].compute< EOS::totalenergy >( m_fr,
837 : 83112 : m_fu[0], m_fu[1], m_fu[2], pr );
838 [ + - ][ + - ]: 153679 : } else if (M >= 0.0 && M < 1.0) { // subsonic outflow
839 : 153679 : re = m_mat_blk[0].compute< EOS::totalenergy >( r, ru/r,
840 [ + - ]: 153679 : rv/r, rw/r, m_fp );
841 : : }
842 : : }
843 : : }
844 : : }
845 : 49336 : }
846 : :
847 : : //! Set slip wall boundary conditions at nodes
848 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
849 : : //! \param[in] W Mesh velocity
850 : : //! \param[in] bnorm Face normals in boundary points, key local node id,
851 : : //! first 3 reals of value: unit normal, outer key: side set id
852 : : //! \param[in] nodes Unique set of node ids at which to set slip BCs
853 : : void
854 : 49345 : slipwallbc( tk::Fields& U,
855 : : const tk::Fields& W,
856 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >&,
857 : : const std::unordered_map< int,
858 : : std::unordered_map< std::size_t, std::array< real, 4 > > >& bnorm,
859 : : const std::unordered_set< std::size_t >& nodes ) const
860 : : {
861 : : // collect sidesets across all meshes
862 : 98690 : std::vector< std::size_t > swbc;
863 [ + + ]: 98714 : for (const auto& ibc : g_inputdeck.get< tag::bc >()) {
864 [ + - ]: 49369 : swbc.insert(swbc.end(), ibc.get< tag::slipwall >().begin(),
865 : 49369 : ibc.get< tag::slipwall >().end());
866 : : }
867 : :
868 [ - + ]: 49345 : if (swbc.size() > 0) { // use slip bcs for this system
869 [ - - ]: 0 : for (auto p : nodes) { // for all slipbc nodes
870 : : // for all user-def slipbc sets
871 [ - - ]: 0 : for (std::size_t s=0; s<swbc.size(); ++s) {
872 : : // find nodes & normals for side
873 [ - - ]: 0 : auto j = bnorm.find(static_cast<int>(swbc[s]));
874 [ - - ]: 0 : if (j != end(bnorm)) {
875 [ - - ]: 0 : auto i = j->second.find(p); // find normal for node
876 [ - - ]: 0 : if (i != end(j->second)) {
877 [ - - ]: 0 : auto rho = U(p,0);
878 : : std::array< real, 3 >
879 : 0 : n{ i->second[0], i->second[1], i->second[2] },
880 [ - - ][ - - ]: 0 : rel_mtm{ U(p,1) - rho*W(p,0), U(p,2) - rho*W(p,1),
[ - - ][ - - ]
881 [ - - ][ - - ]: 0 : U(p,3) - rho*W(p,2) };
882 : 0 : auto rel_mtm_dot_n = tk::dot( rel_mtm, n );
883 : : // slip wall bc: remove normal component of relative momentum
884 [ - - ]: 0 : U(p,1) -= rel_mtm_dot_n * n[0];
885 [ - - ]: 0 : U(p,2) -= rel_mtm_dot_n * n[1];
886 [ - - ]: 0 : U(p,3) -= rel_mtm_dot_n * n[2];
887 : : }
888 : : }
889 : : }
890 : : }
891 : : }
892 : 49345 : }
893 : :
894 : : //! Apply user defined time dependent BCs
895 : : //! \param[in] t Physical time
896 : : //! \param[in,out] U Solution vector at recent time step
897 : : //! \param[in] nodes Vector of unique sets of node ids at which to apply BCs
898 : : //! \details This function applies user defined time dependent boundary
899 : : //! conditions on groups of side sets specified in the input file.
900 : : //! The user specifies pressure, density, and velocity as discrete
901 : : //! functions of time, in the control file, associated with a group of
902 : : //! side sets. Several such groups can be specified, each with their
903 : : //! own discrete function: p(t), rho(t), vx(t), vy(t), vz(t).
904 : : void
905 : 37449 : timedepbc( tk::real t,
906 : : tk::Fields& U,
907 : : const std::vector< std::unordered_set< std::size_t > >& nodes,
908 : : const std::vector< tk::Table<5> >& timedepfn ) const
909 : : {
910 [ + + ]: 37870 : for (std::size_t ib=0; ib<nodes.size(); ++ib) {
911 [ + + ]: 5052 : for (auto p:nodes[ib]) {
912 : : // sample primitive vars from discrete data at time t
913 [ + - ]: 4631 : auto unk = tk::sample<5>(t, timedepfn[ib]);
914 : :
915 : : // apply BCs after converting to conserved vars
916 [ + - ]: 4631 : U(p,0) = unk[1];
917 [ + - ]: 4631 : U(p,1) = unk[1]*unk[2];
918 [ + - ]: 4631 : U(p,2) = unk[1]*unk[3];
919 [ + - ]: 4631 : U(p,3) = unk[1]*unk[4];
920 [ + - ][ + - ]: 4631 : U(p,4) = m_mat_blk[0].compute< EOS::totalenergy >( unk[1], unk[2],
921 : : unk[3], unk[4], unk[0]);
922 : : }
923 : : }
924 : 37449 : }
925 : :
926 : : //! Return a map that associates user-specified strings to functions
927 : : //! \return Map that associates user-specified strings to functions that
928 : : //! compute relevant quantities to be output to file
929 : 802 : std::map< std::string, tk::GetVarFn > OutVarFn() const
930 : 802 : { return CompFlowOutVarFn(); }
931 : :
932 : : //! Return analytic field names to be output to file
933 : : //! \return Vector of strings labelling analytic fields output in file
934 : 630 : std::vector< std::string > analyticFieldNames() const
935 : 630 : { return m_problem.analyticFieldNames( m_ncomp ); }
936 : :
937 : : //! Return surface field names to be output to file
938 : : //! \return Vector of strings labelling surface fields output in file
939 : 802 : std::vector< std::string > surfNames() const
940 : 802 : { return CompFlowSurfNames(); }
941 : :
942 : : //! Return time history field names to be output to file
943 : : //! \return Vector of strings labelling time history fields output in file
944 : 22 : std::vector< std::string > histNames() const
945 : 22 : { return CompFlowHistNames(); }
946 : :
947 : : //! Return nodal surface field output going to file
948 : : std::vector< std::vector< real > >
949 : 802 : surfOutput( const std::map< int, std::vector< std::size_t > >& bnd,
950 : : const tk::Fields& U ) const
951 : 802 : { return CompFlowSurfOutput( m_mat_blk, bnd, U ); }
952 : :
953 : : //! Return elemental surface field output (on triangle faces) going to file
954 : : std::vector< std::vector< real > >
955 : 802 : elemSurfOutput( const std::map< int, std::vector< std::size_t > >& bface,
956 : : const std::vector< std::size_t >& triinpoel,
957 : : const tk::Fields& U ) const
958 : : {
959 : 802 : return CompFlowElemSurfOutput( m_mat_blk, bface, triinpoel, U );
960 : : }
961 : :
962 : : //! Return time history field output evaluated at time history points
963 : : std::vector< std::vector< real > >
964 : 214 : histOutput( const std::vector< HistData >& h,
965 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
966 : : const tk::Fields& U ) const
967 : 214 : { return CompFlowHistOutput( m_mat_blk, h, inpoel, U ); }
968 : :
969 : : //! Return names of integral variables to be output to diagnostics file
970 : : //! \return Vector of strings labelling integral variables output
971 : 69 : std::vector< std::string > names() const
972 : 69 : { return m_problem.names( m_ncomp ); }
973 : :
974 : : private:
975 : : const Physics m_physics; //!< Physics policy
976 : : const Problem m_problem; //!< Problem policy
977 : : real m_fr; //!< Farfield density
978 : : real m_fp; //!< Farfield pressure
979 : : std::vector< real > m_fu; //!< Farfield velocity
980 : : //! EOS material block
981 : : std::vector< EOS > m_mat_blk;
982 : :
983 : : //! \brief Compute/assemble nodal gradients of primitive variables for
984 : : //! ALECG in all points
985 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
986 : : //! \param[in] inpoel Mesh element connectivity
987 : : //! \param[in] lid Global->local node ids
988 : : //! \param[in] bid Local chare-boundary node ids (value) associated to
989 : : //! global node ids (key)
990 : : //! \param[in] vol Nodal volumes
991 : : //! \param[in] esup Elements surrounding points
992 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
993 : : //! \param[in] G Nodal gradients of primitive variables in chare-boundary
994 : : //! nodes
995 : : //! \return Gradients of primitive variables in all mesh points
996 : : tk::Fields
997 : 37026 : nodegrad( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
998 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
999 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::size_t >& lid,
1000 : : const std::unordered_map< std::size_t, std::size_t >& bid,
1001 : : const std::vector< real >& vol,
1002 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
1003 : : std::vector< std::size_t > >& esup,
1004 : : const tk::Fields& U,
1005 : : const tk::Fields& G ) const
1006 : : {
1007 : : // allocate storage for nodal gradients of primitive variables
1008 : 37026 : tk::Fields Grad( U.nunk(), m_ncomp*3 );
1009 [ + - ]: 37026 : Grad.fill( 0.0 );
1010 : :
1011 : : // access node cooordinates
1012 : 37026 : const auto& x = coord[0];
1013 : 37026 : const auto& y = coord[1];
1014 : 37026 : const auto& z = coord[2];
1015 : :
1016 : : // compute gradients of primitive variables in points
1017 : 37026 : auto npoin = U.nunk();
1018 : : #pragma omp simd
1019 [ + + ]: 3984942 : for (std::size_t p=0; p<npoin; ++p)
1020 [ + + ]: 50891976 : for (auto e : tk::Around(esup,p)) {
1021 : : // access node IDs
1022 : 46944060 : std::size_t N[4] =
1023 : 46944060 : { inpoel[e*4+0], inpoel[e*4+1], inpoel[e*4+2], inpoel[e*4+3] };
1024 : : // compute element Jacobi determinant, J = 6V
1025 : 46944060 : real bax = x[N[1]]-x[N[0]];
1026 : 46944060 : real bay = y[N[1]]-y[N[0]];
1027 : 46944060 : real baz = z[N[1]]-z[N[0]];
1028 : 46944060 : real cax = x[N[2]]-x[N[0]];
1029 : 46944060 : real cay = y[N[2]]-y[N[0]];
1030 : 46944060 : real caz = z[N[2]]-z[N[0]];
1031 : 46944060 : real dax = x[N[3]]-x[N[0]];
1032 : 46944060 : real day = y[N[3]]-y[N[0]];
1033 : 46944060 : real daz = z[N[3]]-z[N[0]];
1034 : 46944060 : auto J = tk::triple( bax, bay, baz, cax, cay, caz, dax, day, daz );
1035 : 46944060 : auto J24 = J/24.0;
1036 : : // shape function derivatives, nnode*ndim [4][3]
1037 : : real g[4][3];
1038 : 46944060 : tk::crossdiv( cax, cay, caz, dax, day, daz, J,
1039 : : g[1][0], g[1][1], g[1][2] );
1040 : 46944060 : tk::crossdiv( dax, day, daz, bax, bay, baz, J,
1041 : : g[2][0], g[2][1], g[2][2] );
1042 : 46944060 : tk::crossdiv( bax, bay, baz, cax, cay, caz, J,
1043 : : g[3][0], g[3][1], g[3][2] );
1044 [ + + ]: 187776240 : for (std::size_t i=0; i<3; ++i)
1045 : 140832180 : g[0][i] = -g[1][i] - g[2][i] - g[3][i];
1046 : : // scatter-add gradient contributions to boundary nodes
1047 : : real u[m_ncomp];
1048 [ + + ]: 234720300 : for (std::size_t b=0; b<4; ++b) {
1049 [ + - ]: 187776240 : u[0] = U(N[b],0);
1050 [ + - ]: 187776240 : u[1] = U(N[b],1)/u[0];
1051 [ + - ]: 187776240 : u[2] = U(N[b],2)/u[0];
1052 [ + - ]: 187776240 : u[3] = U(N[b],3)/u[0];
1053 [ + - ]: 187776240 : u[4] = U(N[b],4)/u[0]
1054 : 187776240 : - 0.5*(u[1]*u[1] + u[2]*u[2] + u[3]*u[3]);
1055 [ + + ]: 1126657440 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp; ++c)
1056 [ + + ]: 3755524800 : for (std::size_t i=0; i<3; ++i)
1057 [ + - ]: 2816643600 : Grad(p,c*3+i) += J24 * g[b][i] * u[c];
1058 : : }
1059 : : }
1060 : :
1061 : : // put in nodal gradients of chare-boundary points
1062 [ + + ]: 1642095 : for (const auto& [g,b] : bid) {
1063 [ + - ]: 1605069 : auto i = tk::cref_find( lid, g );
1064 [ + + ]: 25681104 : for (ncomp_t c=0; c<Grad.nprop(); ++c)
1065 [ + - ][ + - ]: 24076035 : Grad(i,c) = G(b,c);
1066 : : }
1067 : :
1068 : : // divide weak result in gradients by nodal volume
1069 [ + + ]: 3984942 : for (std::size_t p=0; p<npoin; ++p)
1070 [ + + ]: 63166656 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp*3; ++c)
1071 [ + - ]: 59218740 : Grad(p,c) /= vol[p];
1072 : :
1073 : 37026 : return Grad;
1074 : : }
1075 : :
1076 : : //! Compute domain-edge integral for ALECG
1077 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
1078 : : //! \param[in] gid Local->glocal node ids
1079 : : //! \param[in] edgenode Local node ids of edges
1080 : : //! \param[in] edgeid Local node id pair -> edge id map
1081 : : //! \param[in] psup Points surrounding points
1082 : : //! \param[in] dfn Dual-face normals
1083 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
1084 : : //! \param[in] W Mesh velocity
1085 : : //! \param[in] G Nodal gradients
1086 : : //! \param[in,out] R Right-hand side vector computed
1087 : 37026 : void domainint( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
1088 : : const std::vector< std::size_t >& gid,
1089 : : const std::vector< std::size_t >& edgenode,
1090 : : const std::vector< std::size_t >& edgeid,
1091 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
1092 : : std::vector< std::size_t > >& psup,
1093 : : const std::vector< real >& dfn,
1094 : : const tk::Fields& U,
1095 : : const tk::Fields& W,
1096 : : const tk::Fields& G,
1097 : : tk::Fields& R ) const
1098 : : {
1099 : : // domain-edge integral: compute fluxes in edges
1100 [ + - ]: 74052 : std::vector< real > dflux( edgenode.size()/2 * m_ncomp );
1101 : :
1102 : : #pragma omp simd
1103 [ + + ]: 18850356 : for (std::size_t e=0; e<edgenode.size()/2; ++e) {
1104 : 18813330 : auto p = edgenode[e*2+0];
1105 : 18813330 : auto q = edgenode[e*2+1];
1106 : :
1107 : : // compute primitive variables at edge-end points
1108 [ + - ]: 18813330 : real rL = U(p,0);
1109 [ + - ]: 18813330 : real ruL = U(p,1) / rL;
1110 [ + - ]: 18813330 : real rvL = U(p,2) / rL;
1111 [ + - ]: 18813330 : real rwL = U(p,3) / rL;
1112 [ + - ]: 18813330 : real reL = U(p,4) / rL - 0.5*(ruL*ruL + rvL*rvL + rwL*rwL);
1113 [ + - ]: 18813330 : real w1L = W(p,0);
1114 [ + - ]: 18813330 : real w2L = W(p,1);
1115 [ + - ]: 18813330 : real w3L = W(p,2);
1116 [ + - ]: 18813330 : real rR = U(q,0);
1117 [ + - ]: 18813330 : real ruR = U(q,1) / rR;
1118 [ + - ]: 18813330 : real rvR = U(q,2) / rR;
1119 [ + - ]: 18813330 : real rwR = U(q,3) / rR;
1120 [ + - ]: 18813330 : real reR = U(q,4) / rR - 0.5*(ruR*ruR + rvR*rvR + rwR*rwR);
1121 [ + - ]: 18813330 : real w1R = W(q,0);
1122 [ + - ]: 18813330 : real w2R = W(q,1);
1123 [ + - ]: 18813330 : real w3R = W(q,2);
1124 : :
1125 : : // compute MUSCL reconstruction in edge-end points
1126 [ + - ]: 18813330 : muscl( p, q, coord, G,
1127 : : rL, ruL, rvL, rwL, reL, rR, ruR, rvR, rwR, reR );
1128 : :
1129 : : // convert back to conserved variables
1130 : 18813330 : reL = (reL + 0.5*(ruL*ruL + rvL*rvL + rwL*rwL)) * rL;
1131 : 18813330 : ruL *= rL;
1132 : 18813330 : rvL *= rL;
1133 : 18813330 : rwL *= rL;
1134 : 18813330 : reR = (reR + 0.5*(ruR*ruR + rvR*rvR + rwR*rwR)) * rR;
1135 : 18813330 : ruR *= rR;
1136 : 18813330 : rvR *= rR;
1137 : 18813330 : rwR *= rR;
1138 : :
1139 : : // evaluate pressure at edge-end points
1140 : 18813330 : real pL = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( rL, ruL/rL, rvL/rL,
1141 [ + - ]: 18813330 : rwL/rL, reL );
1142 : 18813330 : real pR = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( rR, ruR/rR, rvR/rR,
1143 [ + - ]: 18813330 : rwR/rR, reR );
1144 : :
1145 : : // compute Riemann flux using edge-end point states
1146 : : real f[m_ncomp];
1147 [ + - ]: 18813330 : Rusanov::flux( m_mat_blk,
1148 : 18813330 : dfn[e*6+0], dfn[e*6+1], dfn[e*6+2],
1149 : 18813330 : dfn[e*6+3], dfn[e*6+4], dfn[e*6+5],
1150 : : rL, ruL, rvL, rwL, reL,
1151 : : rR, ruR, rvR, rwR, reR,
1152 : : w1L, w2L, w3L, w1R, w2R, w3R,
1153 : : pL, pR,
1154 : : f[0], f[1], f[2], f[3], f[4] );
1155 : : // store flux in edges
1156 [ + + ]: 112879980 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp; ++c) dflux[e*m_ncomp+c] = f[c];
1157 : : }
1158 : :
1159 : : // access pointer to right hand side at component
1160 : : std::array< const real*, m_ncomp > r;
1161 [ + + ][ + - ]: 222156 : for (ncomp_t c=0; c<m_ncomp; ++c) r[c] = R.cptr( c );
1162 : :
1163 : : // domain-edge integral: sum flux contributions to points
1164 [ + + ]: 3984942 : for (std::size_t p=0,k=0; p<U.nunk(); ++p)
1165 [ + + ]: 41574576 : for (auto q : tk::Around(psup,p)) {
1166 [ + + ]: 37626660 : auto s = gid[p] > gid[q] ? -1.0 : 1.0;
1167 : 37626660 : auto e = edgeid[k++];
1168 : : // the 2.0 in the following expression is so that the RHS contribution
1169 : : // conforms with Eq 12 (Waltz et al. Computers & fluids (92) 2014);
1170 : : // The 1/2 in Eq 12 is extracted from the flux function (Rusanov).
1171 : : // However, Rusanov::flux computes the flux with the 1/2. This 2
1172 : : // cancels with the 1/2 in Rusanov::flux, so that the 1/2 can be
1173 : : // extracted out and multiplied as in Eq 12
1174 [ + + ]: 225759960 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp; ++c)
1175 [ + - ]: 188133300 : R.var(r[c],p) -= 2.0*s*dflux[e*m_ncomp+c];
1176 : : }
1177 : :
1178 : 37026 : tk::destroy(dflux);
1179 : 37026 : }
1180 : :
1181 : : //! \brief Compute MUSCL reconstruction in edge-end points using a MUSCL
1182 : : //! procedure with van Leer limiting
1183 : : //! \param[in] p Left node id of edge-end
1184 : : //! \param[in] q Right node id of edge-end
1185 : : //! \param[in] coord Array of nodal coordinates
1186 : : //! \param[in] G Gradient of all unknowns in mesh points
1187 : : //! \param[in,out] rL Left density
1188 : : //! \param[in,out] uL Left X velocity
1189 : : //! \param[in,out] vL Left Y velocity
1190 : : //! \param[in,out] wL Left Z velocity
1191 : : //! \param[in,out] eL Left internal energy
1192 : : //! \param[in,out] rR Right density
1193 : : //! \param[in,out] uR Right X velocity
1194 : : //! \param[in,out] vR Right Y velocity
1195 : : //! \param[in,out] wR Right Z velocity
1196 : : //! \param[in,out] eR Right internal energy
1197 : 18813330 : void muscl( std::size_t p,
1198 : : std::size_t q,
1199 : : const tk::UnsMesh::Coords& coord,
1200 : : const tk::Fields& G,
1201 : : real& rL, real& uL, real& vL, real& wL, real& eL,
1202 : : real& rR, real& uR, real& vR, real& wR, real& eR ) const
1203 : : {
1204 : : // access node coordinates
1205 : 18813330 : const auto& x = coord[0];
1206 : 18813330 : const auto& y = coord[1];
1207 : 18813330 : const auto& z = coord[2];
1208 : :
1209 : : // edge vector
1210 : 18813330 : std::array< real, 3 > vw{ x[q]-x[p], y[q]-y[p], z[q]-z[p] };
1211 : :
1212 : : real delta1[5], delta2[5], delta3[5];
1213 : 18813330 : std::array< real, 5 > ls{ rL, uL, vL, wL, eL };
1214 : 18813330 : std::array< real, 5 > rs{ rR, uR, vR, wR, eR };
1215 : 18813330 : auto url = ls;
1216 : 18813330 : auto urr = rs;
1217 : :
1218 : : // MUSCL reconstruction of edge-end-point primitive variables
1219 [ + + ]: 112879980 : for (std::size_t c=0; c<5; ++c) {
1220 : : // gradients
1221 [ + - ][ + - ]: 94066650 : std::array< real, 3 > g1{ G(p,c*3+0), G(p,c*3+1), G(p,c*3+2) },
[ + - ]
1222 [ + - ][ + - ]: 94066650 : g2{ G(q,c*3+0), G(q,c*3+1), G(q,c*3+2) };
[ + - ]
1223 : :
1224 : 94066650 : delta2[c] = rs[c] - ls[c];
1225 : 94066650 : delta1[c] = 2.0 * tk::dot(g1,vw) - delta2[c];
1226 : 94066650 : delta3[c] = 2.0 * tk::dot(g2,vw) - delta2[c];
1227 : :
1228 : : // MUSCL extrapolation option 1:
1229 : : // ---------------------------------------------------------------------
1230 : : // Uncomment the following 3 blocks of code if this version is required.
1231 : : // this reconstruction is from the following paper:
1232 : : // Waltz, J., Morgan, N. R., Canfield, T. R., Charest, M. R.,
1233 : : // Risinger, L. D., & Wohlbier, J. G. (2014). A three-dimensional
1234 : : // finite element arbitrary Lagrangian–Eulerian method for shock
1235 : : // hydrodynamics on unstructured grids. Computers & Fluids, 92,
1236 : : // 172-187.
1237 : :
1238 : : //// form limiters
1239 : : //auto rcL = (delta2[c] + muscl_eps) / (delta1[c] + muscl_eps);
1240 : : //auto rcR = (delta2[c] + muscl_eps) / (delta3[c] + muscl_eps);
1241 : : //auto rLinv = (delta1[c] + muscl_eps) / (delta2[c] + muscl_eps);
1242 : : //auto rRinv = (delta3[c] + muscl_eps) / (delta2[c] + muscl_eps);
1243 : :
1244 : : //// van Leer limiter
1245 : : //// any other symmetric limiter could be used instead too
1246 : : //auto phiL = (std::abs(rcL) + rcL) / (std::abs(rcL) + 1.0);
1247 : : //auto phiR = (std::abs(rcR) + rcR) / (std::abs(rcR) + 1.0);
1248 : : //auto phi_L_inv = (std::abs(rLinv) + rLinv) / (std::abs(rLinv) + 1.0);
1249 : : //auto phi_R_inv = (std::abs(rRinv) + rRinv) / (std::abs(rRinv) + 1.0);
1250 : :
1251 : : //// update unknowns with reconstructed unknowns
1252 : : //url[c] += 0.25*(delta1[c]*muscl_m1*phiL + delta2[c]*muscl_p1*phi_L_inv);
1253 : : //urr[c] -= 0.25*(delta3[c]*muscl_m1*phiR + delta2[c]*muscl_p1*phi_R_inv);
1254 : :
1255 : : // ---------------------------------------------------------------------
1256 : :
1257 : : // MUSCL extrapolation option 2:
1258 : : // ---------------------------------------------------------------------
1259 : : // The following 2 blocks of code.
1260 : : // this reconstruction is from the following paper:
1261 : : // Luo, H., Baum, J. D., & Lohner, R. (1994). Edge-based finite element
1262 : : // scheme for the Euler equations. AIAA journal, 32(6), 1183-1190.
1263 : : // Van Leer, B. (1974). Towards the ultimate conservative difference
1264 : : // scheme. II. Monotonicity and conservation combined in a second-order
1265 : : // scheme. Journal of computational physics, 14(4), 361-370.
1266 : :
1267 : : // get Van Albada limiter
1268 : : // the following form is derived from the flux limiter phi as:
1269 : : // s = phi_inv - (1 - phi)
1270 : 188133300 : auto sL = std::max(0.0, (2.0*delta1[c]*delta2[c] + muscl_eps)
1271 : 94066650 : /(delta1[c]*delta1[c] + delta2[c]*delta2[c] + muscl_eps));
1272 : 188133300 : auto sR = std::max(0.0, (2.0*delta3[c]*delta2[c] + muscl_eps)
1273 : 94066650 : /(delta3[c]*delta3[c] + delta2[c]*delta2[c] + muscl_eps));
1274 : :
1275 : : // update unknowns with reconstructed unknowns
1276 : 94066650 : url[c] += 0.25*sL*(delta1[c]*(1.0-muscl_const*sL)
1277 : 94066650 : + delta2[c]*(1.0+muscl_const*sL));
1278 : 94066650 : urr[c] -= 0.25*sR*(delta3[c]*(1.0-muscl_const*sR)
1279 : 94066650 : + delta2[c]*(1.0+muscl_const*sR));
1280 : :
1281 : : // ---------------------------------------------------------------------
1282 : : }
1283 : :
1284 : : // force first order if the reconstructions for density or internal energy
1285 : : // would have allowed negative values
1286 [ + + ][ + + ]: 18813330 : if (ls[0] < delta1[0] || ls[4] < delta1[4]) url = ls;
[ + + ]
1287 [ + + ][ + + ]: 18813330 : if (rs[0] < -delta3[0] || rs[4] < -delta3[4]) urr = rs;
[ + + ]
1288 : :
1289 : 18813330 : rL = url[0];
1290 : 18813330 : uL = url[1];
1291 : 18813330 : vL = url[2];
1292 : 18813330 : wL = url[3];
1293 : 18813330 : eL = url[4];
1294 : :
1295 : 18813330 : rR = urr[0];
1296 : 18813330 : uR = urr[1];
1297 : 18813330 : vR = urr[2];
1298 : 18813330 : wR = urr[3];
1299 : 18813330 : eR = urr[4];
1300 : 18813330 : }
1301 : :
1302 : : //! Compute boundary integrals for ALECG
1303 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
1304 : : //! \param[in] triinpoel Boundary triangle face connecitivity with local ids
1305 : : //! \param[in] symbctri Vector with 1 at symmetry BC boundary triangles
1306 : : //! \param[in] slipwallbctri Vector with 1 at slip wall BC boundary triangles
1307 : : //! \param[in] U Solution vector at recent time step
1308 : : //! \param[in] W Mesh velocity
1309 : : //! \param[in,out] R Right-hand side vector computed
1310 : 37026 : void bndint( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
1311 : : const std::vector< std::size_t >& triinpoel,
1312 : : const std::vector< int >& symbctri,
1313 : : const std::vector< int >& slipwallbctri,
1314 : : const tk::Fields& U,
1315 : : const tk::Fields& W,
1316 : : tk::Fields& R ) const
1317 : : {
1318 : :
1319 : : // access node coordinates
1320 : 37026 : const auto& x = coord[0];
1321 : 37026 : const auto& y = coord[1];
1322 : 37026 : const auto& z = coord[2];
1323 : :
1324 : : // boundary integrals: compute fluxes in edges
1325 [ + - ]: 74052 : std::vector< real > bflux( triinpoel.size() * m_ncomp * 2 );
1326 : :
1327 : : #pragma omp simd
1328 [ + + ]: 3847092 : for (std::size_t e=0; e<triinpoel.size()/3; ++e) {
1329 : : // access node IDs
1330 : 3810066 : std::size_t N[3] =
1331 : 3810066 : { triinpoel[e*3+0], triinpoel[e*3+1], triinpoel[e*3+2] };
1332 : : // access solution at element nodes
1333 [ + - ]: 3810066 : real rA = U(N[0],0);
1334 [ + - ]: 3810066 : real rB = U(N[1],0);
1335 [ + - ]: 3810066 : real rC = U(N[2],0);
1336 [ + - ]: 3810066 : real ruA = U(N[0],1);
1337 [ + - ]: 3810066 : real ruB = U(N[1],1);
1338 [ + - ]: 3810066 : real ruC = U(N[2],1);
1339 [ + - ]: 3810066 : real rvA = U(N[0],2);
1340 [ + - ]: 3810066 : real rvB = U(N[1],2);
1341 [ + - ]: 3810066 : real rvC = U(N[2],2);
1342 [ + - ]: 3810066 : real rwA = U(N[0],3);
1343 [ + - ]: 3810066 : real rwB = U(N[1],3);
1344 [ + - ]: 3810066 : real rwC = U(N[2],3);
1345 [ + - ]: 3810066 : real reA = U(N[0],4);
1346 [ + - ]: 3810066 : real reB = U(N[1],4);
1347 [ + - ]: 3810066 : real reC = U(N[2],4);
1348 [ + - ]: 3810066 : real w1A = W(N[0],0);
1349 [ + - ]: 3810066 : real w2A = W(N[0],1);
1350 [ + - ]: 3810066 : real w3A = W(N[0],2);
1351 [ + - ]: 3810066 : real w1B = W(N[1],0);
1352 [ + - ]: 3810066 : real w2B = W(N[1],1);
1353 [ + - ]: 3810066 : real w3B = W(N[1],2);
1354 [ + - ]: 3810066 : real w1C = W(N[2],0);
1355 [ + - ]: 3810066 : real w2C = W(N[2],1);
1356 [ + - ]: 3810066 : real w3C = W(N[2],2);
1357 : : // compute face normal
1358 : : real nx, ny, nz;
1359 : 3810066 : tk::normal( x[N[0]], x[N[1]], x[N[2]],
1360 : : y[N[0]], y[N[1]], y[N[2]],
1361 : : z[N[0]], z[N[1]], z[N[2]],
1362 : : nx, ny, nz );
1363 : : // compute boundary flux
1364 : : real f[m_ncomp][3];
1365 : : real p, vn;
1366 : 3810066 : int sym = symbctri[e];
1367 : 3810066 : int slip = slipwallbctri[e];
1368 [ + - ]: 3810066 : p = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( rA, ruA/rA, rvA/rA, rwA/rA,
1369 : : reA );
1370 [ + + ][ + - ]: 3810066 : vn = (sym || slip) ? 0.0 : (nx*(ruA/rA-w1A) + ny*(rvA/rA-w2A) + nz*(rwA/rA-w3A));
1371 : 3810066 : f[0][0] = rA*vn;
1372 : 3810066 : f[1][0] = ruA*vn + p*nx;
1373 : 3810066 : f[2][0] = rvA*vn + p*ny;
1374 : 3810066 : f[3][0] = rwA*vn + p*nz;
1375 : 3810066 : f[4][0] = reA*vn + p*((nx*ruA + ny*rvA + nz*rwA)/rA);
1376 [ + - ]: 3810066 : p = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( rB, ruB/rB, rvB/rB, rwB/rB,
1377 : : reB );
1378 [ + + ][ + - ]: 3810066 : vn = (sym || slip) ? 0.0 : (nx*(ruB/rB-w1B) + ny*(rvB/rB-w2B) + nz*(rwB/rB-w3B));
1379 : 3810066 : f[0][1] = rB*vn;
1380 : 3810066 : f[1][1] = ruB*vn + p*nx;
1381 : 3810066 : f[2][1] = rvB*vn + p*ny;
1382 : 3810066 : f[3][1] = rwB*vn + p*nz;
1383 : 3810066 : f[4][1] = reB*vn + p*((nx*ruB + ny*rvB + nz*rwB)/rB);
1384 [ + - ]: 3810066 : p = m_mat_blk[0].compute< EOS::pressure >( rC, ruC/rC, rvC/rC, rwC/rC,
1385 : : reC );
1386 [ + + ][ + - ]: 3810066 : vn = (sym || slip) ? 0.0 : (nx*(ruC/rC-w1C) + ny*(rvC/rC-w2C) + nz*(rwC/rC-w3C));
1387 : 3810066 : f[0][2] = rC*vn;
1388 : 3810066 : f[1][2] = ruC*vn + p*nx;
1389 : 3810066 : f[2][2] = rvC*vn + p*ny;
1390 : 3810066 : f[3][2] = rwC*vn + p*nz;
1391 : 3810066 : f[4][2] = reC*vn + p*((nx*ruC + ny*rvC + nz*rwC)/rC);
1392 : : // compute face area
1393 : 3810066 : auto A6 = tk::area( x[N[0]], x[N[1]], x[N[2]],
1394 : : y[N[0]], y[N[1]], y[N[2]],
1395 : : z[N[0]], z[N[1]], z[N[2]] ) / 6.0;
1396 : 3810066 : auto A24 = A6/4.0;
1397 : : // store flux in boundary elements
1398 [ + + ]: 22860396 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp; ++c) {
1399 : 19050330 : auto eb = (e*m_ncomp+c)*6;
1400 : 19050330 : auto Bab = A24 * (f[c][0] + f[c][1]);
1401 : 19050330 : bflux[eb+0] = Bab + A6 * f[c][0];
1402 : 19050330 : bflux[eb+1] = Bab;
1403 : 19050330 : Bab = A24 * (f[c][1] + f[c][2]);
1404 : 19050330 : bflux[eb+2] = Bab + A6 * f[c][1];
1405 : 19050330 : bflux[eb+3] = Bab;
1406 : 19050330 : Bab = A24 * (f[c][2] + f[c][0]);
1407 : 19050330 : bflux[eb+4] = Bab + A6 * f[c][2];
1408 : 19050330 : bflux[eb+5] = Bab;
1409 : : }
1410 : : }
1411 : :
1412 : : // access pointer to right hand side at component
1413 : : std::array< const real*, m_ncomp > r;
1414 [ + + ][ + - ]: 222156 : for (ncomp_t c=0; c<m_ncomp; ++c) r[c] = R.cptr( c );
1415 : :
1416 : : // boundary integrals: sum flux contributions to points
1417 [ + + ]: 3847092 : for (std::size_t e=0; e<triinpoel.size()/3; ++e)
1418 [ + + ]: 22860396 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp; ++c) {
1419 : 19050330 : auto eb = (e*m_ncomp+c)*6;
1420 [ + - ]: 19050330 : R.var(r[c],triinpoel[e*3+0]) -= bflux[eb+0] + bflux[eb+5];
1421 [ + - ]: 19050330 : R.var(r[c],triinpoel[e*3+1]) -= bflux[eb+1] + bflux[eb+2];
1422 [ + - ]: 19050330 : R.var(r[c],triinpoel[e*3+2]) -= bflux[eb+3] + bflux[eb+4];
1423 : : }
1424 : :
1425 : 37026 : tk::destroy(bflux);
1426 : 37026 : }
1427 : :
1428 : : //! Compute optional source integral
1429 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
1430 : : //! \param[in] inpoel Mesh element connectivity
1431 : : //! \param[in] t Physical time
1432 : : //! \param[in] tp Physical time for each mesh node
1433 : : //! \param[in,out] R Right-hand side vector computed
1434 : 37026 : void src( const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
1435 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
1436 : : real t,
1437 : : const std::vector< tk::real >& tp,
1438 : : tk::Fields& R ) const
1439 : : {
1440 : : // access node coordinates
1441 : 37026 : const auto& x = coord[0];
1442 : 37026 : const auto& y = coord[1];
1443 : 37026 : const auto& z = coord[2];
1444 : :
1445 : : // access pointer to right hand side at component
1446 : : std::array< const real*, m_ncomp > r;
1447 [ + + ][ + - ]: 222156 : for (ncomp_t c=0; c<m_ncomp; ++c) r[c] = R.cptr( c );
1448 : :
1449 : : // source integral
1450 [ + + ]: 11773041 : for (std::size_t e=0; e<inpoel.size()/4; ++e) {
1451 : 11736015 : std::size_t N[4] =
1452 : 11736015 : { inpoel[e*4+0], inpoel[e*4+1], inpoel[e*4+2], inpoel[e*4+3] };
1453 : : // compute element Jacobi determinant, J = 6V
1454 : 11736015 : auto J24 = tk::triple(
1455 : 11736015 : x[N[1]]-x[N[0]], y[N[1]]-y[N[0]], z[N[1]]-z[N[0]],
1456 : 11736015 : x[N[2]]-x[N[0]], y[N[2]]-y[N[0]], z[N[2]]-z[N[0]],
1457 : 11736015 : x[N[3]]-x[N[0]], y[N[3]]-y[N[0]], z[N[3]]-z[N[0]] ) / 24.0;
1458 : : // sum source contributions to nodes
1459 [ + + ]: 58680075 : for (std::size_t a=0; a<4; ++a) {
1460 [ + - ]: 93888120 : std::vector< real > s(m_ncomp);
1461 [ + + ]: 46944060 : if (g_inputdeck.get< tag::steady_state >()) t = tp[N[a]];
1462 [ + - ]: 46944060 : Problem::src( 1, m_mat_blk, x[N[a]], y[N[a]], z[N[a]], t, s );
1463 [ + + ]: 281664360 : for (std::size_t c=0; c<m_ncomp; ++c)
1464 [ + - ]: 234720300 : R.var(r[c],N[a]) += J24 * s[c];
1465 : : }
1466 : : }
1467 : 37026 : }
1468 : :
1469 : : //! Compute sources corresponding to a propagating front in user-defined box
1470 : : //! \param[in] V Total box volume
1471 : : //! \param[in] t Physical time
1472 : : //! \param[in] inpoel Element point connectivity
1473 : : //! \param[in] esup Elements surrounding points
1474 : : //! \param[in] boxnodes Mesh node ids within user-defined boxes
1475 : : //! \param[in] coord Mesh node coordinates
1476 : : //! \param[in] R Right-hand side vector
1477 : : //! \param[in,out] engSrcAdded Whether the energy source was added
1478 : : //! \details This function adds the energy source corresponding to a
1479 : : //! spherical wave-front growing at a user-specified velocity, within a
1480 : : //! user-configured box initial condition, configured by the user.
1481 : : //! Example (SI) units of the quantities involved:
1482 : : //! * internal energy content (energy per unit volume): J/m^3
1483 : : //! * specific energy (internal energy per unit mass): J/kg
1484 : 37026 : void boxSrc( real V,
1485 : : real t,
1486 : : const std::vector< std::size_t >& inpoel,
1487 : : const std::pair< std::vector< std::size_t >,
1488 : : std::vector< std::size_t > >& esup,
1489 : : const std::vector< std::unordered_set< std::size_t > >& boxnodes,
1490 : : const std::array< std::vector< real >, 3 >& coord,
1491 : : tk::Fields& R,
1492 : : std::vector< int >& engSrcAdded ) const
1493 : : {
1494 : 37026 : const auto& icbox = g_inputdeck.get< tag::ic, tag::box >();
1495 : :
1496 : : // if nodes exist in box (on this partition)
1497 [ + + ][ + - ]: 37026 : if (!icbox.empty() && !boxnodes.empty()) {
[ + + ]
1498 : 1230 : std::size_t bcnt = 0;
1499 : : // for all boxes
1500 [ + + ]: 2490 : for (const auto& b : icbox) {
1501 : : // if linear initialize is set up (energy-pill)
1502 [ + + ]: 1260 : if (b.template get< tag::initiate >() == ctr::InitiateType::LINEAR) {
1503 : :
1504 [ + - ]: 2400 : std::vector< tk::real > box
1505 : 1200 : { b.template get< tag::xmin >(), b.template get< tag::xmax >(),
1506 : 1200 : b.template get< tag::ymin >(), b.template get< tag::ymax >(),
1507 : 1200 : b.template get< tag::zmin >(), b.template get< tag::zmax >() };
1508 : :
1509 : 1200 : auto boxenc = b.template get< tag::energy_content >();
1510 [ - + ][ - - ]: 1200 : Assert( boxenc > 0.0, "Box energy content must be nonzero" );
[ - - ][ - - ]
1511 : 1200 : const auto& x0_front = b.template get< tag::point >();
1512 [ - + ][ - - ]: 1200 : Assert(x0_front.size()==3, "Incorrectly sized front initial location");
[ - - ][ - - ]
1513 : :
1514 : 1200 : auto V_ex = (box[1]-box[0]) * (box[3]-box[2]) * (box[5]-box[4]);
1515 : :
1516 : : // determine times at which sourcing is initialized and terminated
1517 : 1200 : auto vFront = b.template get< tag::front_speed >();
1518 : 1200 : auto wFront = b.template get< tag::front_width >();
1519 : 1200 : auto tInit = b.template get< tag::init_time >();
1520 : :
1521 : 1200 : const auto& x = coord[0];
1522 : 1200 : const auto& y = coord[1];
1523 : 1200 : const auto& z = coord[2];
1524 : :
1525 [ + - ]: 1200 : if (t >= tInit) {
1526 : : // current radius of front
1527 : 1200 : tk::real rFront = vFront * (t-tInit);
1528 : :
1529 : : // arbitrary shape form
1530 : 1200 : auto amplE = boxenc * vFront / wFront;
1531 : 1200 : amplE *= V_ex / V;
1532 : :
1533 [ + + ]: 81600 : for (auto p : boxnodes[bcnt]) {
1534 : 80400 : std::array< tk::real, 3 > node{{ x[p], y[p], z[p] }};
1535 : :
1536 : 80400 : auto r_e = std::sqrt(
1537 : 80400 : (node[0]-x0_front[0])*(node[0]-x0_front[0]) +
1538 : 80400 : (node[1]-x0_front[1])*(node[1]-x0_front[1]) +
1539 : 80400 : (node[2]-x0_front[2])*(node[2]-x0_front[2]) );
1540 : :
1541 : : // if mesh node lies within spherical shell add sources
1542 [ + + ][ + + ]: 80400 : if (r_e >= rFront && r_e <= rFront+wFront) {
1543 : : // arbitrary shape form
1544 : 5318 : auto S = amplE;
1545 [ + + ]: 76303 : for (auto e : tk::Around(esup,p)) {
1546 : : // access node IDs
1547 : 70985 : std::size_t N[4] =
1548 : 70985 : {inpoel[e*4+0], inpoel[e*4+1], inpoel[e*4+2], inpoel[e*4+3]};
1549 : : // compute element Jacobi determinant, J = 6V
1550 : 70985 : real bax = x[N[1]]-x[N[0]];
1551 : 70985 : real bay = y[N[1]]-y[N[0]];
1552 : 70985 : real baz = z[N[1]]-z[N[0]];
1553 : 70985 : real cax = x[N[2]]-x[N[0]];
1554 : 70985 : real cay = y[N[2]]-y[N[0]];
1555 : 70985 : real caz = z[N[2]]-z[N[0]];
1556 : 70985 : real dax = x[N[3]]-x[N[0]];
1557 : 70985 : real day = y[N[3]]-y[N[0]];
1558 : 70985 : real daz = z[N[3]]-z[N[0]];
1559 : : auto J =
1560 : 70985 : tk::triple( bax, bay, baz, cax, cay, caz, dax, day, daz );
1561 : 70985 : auto J24 = J/24.0;
1562 : : // Add the source term to the rhs
1563 [ + - ]: 70985 : R(p,4) += J24 * S;
1564 : 70985 : engSrcAdded[p] = 1;
1565 : : }
1566 : : }
1567 : : }
1568 : : }
1569 : :
1570 : : }
1571 : 1260 : ++bcnt;
1572 : : }
1573 : : }
1574 : 37026 : }
1575 : :
1576 : : };
1577 : :
1578 : : } // cg::
1579 : :
1580 : : } // inciter::
1581 : :
1582 : : #endif // CGCompFlow_h
|
