Branch data Line data Source code
1 : : // *****************************************************************************
2 : : /*!
3 : : \file src/PDE/Riemann/AUSM.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 Advection Upstream Splitting Method (AUSM+) Riemann flux function
9 : : \details This file implements the Advection Upstream Splitting Method (AUSM)
10 : : Riemann solver, with the all-speed corrections.
11 : : Ref. Liou, M. S. (2006). A sequel to AUSM, Part II: AUSM+-up for
12 : : all speeds. Journal of computational physics, 214(1), 137-170.
13 : : */
14 : : // *****************************************************************************
15 : : #ifndef AUSM_h
16 : : #define AUSM_h
17 : :
18 : : #include <vector>
19 : :
20 : : #include "Fields.hpp"
21 : : #include "FunctionPrototypes.hpp"
22 : : #include "Inciter/Options/Flux.hpp"
23 : : #include "SplitMachFns.hpp"
24 : : #include "EoS/EOS.hpp"
25 : : #include "MultiMat/MultiMatIndexing.hpp"
26 : :
27 : : namespace inciter {
28 : :
29 : : //! AUSM+up approximate Riemann solver
30 : : struct AUSM {
31 : :
32 : : //! AUSM+up approximate Riemann solver flux function
33 : : //! \param[in] fn Face/Surface normal
34 : : //! \param[in] u Left and right unknown/state vector
35 : : //! \return Riemann flux solution according to AUSM+up, appended by Riemann
36 : : //! velocities and volume-fractions.
37 : : //! \note The function signature must follow tk::RiemannFluxFn
38 : : static tk::RiemannFluxFn::result_type
39 : 7969141 : flux( const std::vector< EOS >& mat_blk,
40 : : const std::array< tk::real, 3 >& fn,
41 : : const std::array< std::vector< tk::real >, 2 >& u,
42 : : const std::vector< std::array< tk::real, 3 > >& = {} )
43 : : {
44 : 7969141 : auto nmat = g_inputdeck.get< tag::multimat, tag::nmat >();
45 : 7969141 : auto k_p = g_inputdeck.get< tag::lowspeed_kp >();
46 : :
47 : 7969141 : auto ncomp = u[0].size()-(3+nmat);
48 : 7969141 : std::vector< tk::real > flx( ncomp, 0 );
49 : :
50 : : // Primitive variables
51 : : tk::real rhol(0.0), rhor(0.0);
52 [ + + ]: 26602489 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
53 : : {
54 : 18633348 : rhol += u[0][densityIdx(nmat, k)];
55 : 18633348 : rhor += u[1][densityIdx(nmat, k)];
56 : : }
57 : :
58 : : tk::real pl(0.0), pr(0.0), amatl(0.0), amatr(0.0);
59 [ + - ][ + - ]: 7969141 : std::vector< tk::real > al_l(nmat, 0.0), al_r(nmat, 0.0),
[ - - ][ - - ]
60 [ + - ][ + - ]: 7969141 : hml(nmat, 0.0), hmr(nmat, 0.0),
[ - - ][ - - ]
61 [ + - ][ + - ]: 7969141 : pml(nmat, 0.0), pmr(nmat, 0.0),
[ - - ][ - - ]
62 [ + - ][ - - ]: 7969141 : arhom12(nmat, 0.0),
63 [ + - ][ - - ]: 7969141 : amat12(nmat, 0.0);
64 [ + + ]: 26602489 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
65 : : {
66 [ + - ]: 18633348 : al_l[k] = u[0][volfracIdx(nmat, k)];
67 : 18633348 : pml[k] = u[0][ncomp+pressureIdx(nmat, k)];
68 [ + - ]: 18633348 : pl += pml[k];
69 : 18633348 : hml[k] = u[0][energyIdx(nmat, k)] + pml[k];
70 [ + - ]: 18633348 : amatl = mat_blk[k].compute< EOS::soundspeed >(
71 : : u[0][densityIdx(nmat, k)], pml[k], al_l[k], k );
72 : :
73 [ + - ]: 18633348 : al_r[k] = u[1][volfracIdx(nmat, k)];
74 : 18633348 : pmr[k] = u[1][ncomp+pressureIdx(nmat, k)];
75 [ + - ]: 18633348 : pr += pmr[k];
76 : 18633348 : hmr[k] = u[1][energyIdx(nmat, k)] + pmr[k];
77 [ + - ]: 18633348 : amatr = mat_blk[k].compute< EOS::soundspeed >(
78 : : u[1][densityIdx(nmat, k)], pmr[k], al_r[k], k );
79 : :
80 : : // Average states for mixture speed of sound
81 : 18633348 : arhom12[k] = 0.5*(u[0][densityIdx(nmat, k)] + u[1][densityIdx(nmat, k)]);
82 : 18633348 : amat12[k] = 0.5*(amatl+amatr);
83 : : }
84 : :
85 : 7969141 : auto rho12 = 0.5*(rhol+rhor);
86 : :
87 : : // mixture speed of sound
88 : : tk::real ac12(0.0);
89 [ + + ]: 26602489 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
90 : : {
91 : 18633348 : ac12 += (arhom12[k]*amat12[k]*amat12[k]);
92 : : }
93 : 7969141 : ac12 = std::sqrt( ac12/rho12 );
94 : :
95 : : // Independently limited velocities for advection
96 : 7969141 : auto ul = u[0][ncomp+velocityIdx(nmat, 0)];
97 : 7969141 : auto vl = u[0][ncomp+velocityIdx(nmat, 1)];
98 : 7969141 : auto wl = u[0][ncomp+velocityIdx(nmat, 2)];
99 : 7969141 : auto ur = u[1][ncomp+velocityIdx(nmat, 0)];
100 : 7969141 : auto vr = u[1][ncomp+velocityIdx(nmat, 1)];
101 : 7969141 : auto wr = u[1][ncomp+velocityIdx(nmat, 2)];
102 : :
103 : : // Face-normal velocities from advective velocities
104 : 7969141 : auto vnl = ul*fn[0] + vl*fn[1] + wl*fn[2];
105 : 7969141 : auto vnr = ur*fn[0] + vr*fn[1] + wr*fn[2];
106 : :
107 : : // Mach numbers
108 : 7969141 : auto ml = vnl/ac12;
109 : 7969141 : auto mr = vnr/ac12;
110 : :
111 : : // All-speed parameters
112 : : // These parameters control the amount of all-speed diffusion necessary for
113 : : // low-Mach flows. Setting k_u and k_p to zero does not add any all-speed
114 : : // diffusion, whereas setting k_u and k_p to 1 adds maximum recommended
115 : : // all-speed diffusion. See "Liou, M. S. (2006). A sequel to AUSM, Part II:
116 : : // AUSM+-up for all speeds. Journal of computational physics, 214(1),
117 : : // 137-170" for more mathematical explanation. k_u is the velocity diffusion
118 : : // term and k_p is the pressure diffusion term. These two terms reduce
119 : : // pressure-velocity decoupling (chequerboarding/odd-even oscillations).
120 : : tk::real k_u(1.0), f_a(1.0);
121 : :
122 : : // Split Mach polynomials
123 : 7969141 : auto msl = splitmach_ausm( f_a, ml );
124 : 7969141 : auto msr = splitmach_ausm( f_a, mr );
125 : :
126 : : // Riemann Mach number
127 : 7969141 : auto m0 = 1.0 - (0.5*(vnl*vnl + vnr*vnr)/(ac12*ac12));
128 [ + + ]: 7969141 : auto mp = -k_p* std::max(m0, 0.0) * (pr-pl) / (f_a*rho12*ac12*ac12);
129 : 7969141 : auto m12 = msl[0] + msr[1] + mp;
130 : 7969141 : auto vriem = ac12 * m12;
131 : :
132 : : // Riemann pressure
133 : 7969141 : auto pu = -k_u* msl[2] * msr[3] * f_a * rho12 * ac12 * (vnr-vnl);
134 : 7969141 : auto p12 = msl[2]*pl + msr[3]*pr + pu;
135 : :
136 : : // Flux vector splitting
137 : 7969141 : auto l_plus = 0.5 * (vriem + std::fabs(vriem));
138 : 7969141 : auto l_minus = 0.5 * (vriem - std::fabs(vriem));
139 : :
140 : : // Conservative fluxes
141 [ + + ]: 26602489 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
142 : : {
143 : 18633348 : flx[volfracIdx(nmat, k)] = l_plus*al_l[k] + l_minus*al_r[k];
144 : 18633348 : flx[densityIdx(nmat, k)] = l_plus*u[0][densityIdx(nmat, k)]
145 : 18633348 : + l_minus*u[1][densityIdx(nmat, k)];
146 : 18633348 : flx[energyIdx(nmat, k)] = l_plus*hml[k] + l_minus*hmr[k];
147 : : }
148 : :
149 [ + + ]: 31876564 : for (std::size_t idir=0; idir<3; ++idir)
150 : : {
151 : 23907423 : flx[momentumIdx(nmat, idir)] = l_plus*u[0][momentumIdx(nmat, idir)]
152 : 23907423 : + l_minus*u[1][momentumIdx(nmat, idir)]
153 : 23907423 : + p12*fn[idir];
154 : : }
155 : :
156 : 7969141 : l_plus = l_plus/( std::fabs(vriem) + 1.0e-12 );
157 : 7969141 : l_minus = l_minus/( std::fabs(vriem) + 1.0e-12 );
158 : :
159 : : // Store Riemann-advected partial pressures
160 [ + + ]: 7969141 : if (std::fabs(l_plus) > 1.0e-10)
161 : : {
162 [ + + ]: 9024484 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
163 [ + - ]: 6356021 : flx.push_back( pml[k] );
164 : : }
165 [ + + ]: 5300678 : else if (std::fabs(l_minus) > 1.0e-10)
166 : : {
167 [ + + ]: 9065919 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
168 [ + - ]: 6390838 : flx.push_back( pmr[k] );
169 : : }
170 : : else
171 : : {
172 [ + + ]: 8512086 : for (std::size_t k=0; k<nmat; ++k)
173 [ + - ][ - - ]: 5886489 : flx.push_back( 0.5*(pml[k] + pmr[k]) );
174 : : }
175 : :
176 : : // Store Riemann velocity
177 [ + - ]: 7969141 : flx.push_back( vriem );
178 : :
179 : : Assert( flx.size() == (3*nmat+3+nmat+1), "Size of multi-material flux "
180 : : "vector incorrect" );
181 : :
182 : 7969141 : return flx;
183 : : }
184 : :
185 : : //! Flux type accessor
186 : : //! \return Flux type
187 : : static ctr::FluxType type() noexcept { return ctr::FluxType::AUSM; }
188 : : };
189 : :
190 : : } // inciter::
191 : :
192 : : #endif // AUSM_h
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