2.0-MOOSE：大规模并行多物理场仿真软件更新

软件X 20（2022）101202软件更新2.0-MOOSE：实现大规模并行多物理场仿真亚历山大·D Lindsaya，Derek R.放大图片作者：J. J.米勒a，放大图片作者：Andrew E.放大图片作者：Slaughtera，Fande Konga，Joshua Hansela，RobertW. Carlsena，Casey Icenhoura，Logan Harboura，Guillaume L.放大图片作者：John H.施托格纳a，Peter Germana，Jacob Badgera，Sudipta Biswasa，Leora Chapuisa，Christopher Greenf，Jason Halesa，Tianchen Hub，Wen Jianga，Yeon Sang Jungb，Christopher Matthewsc，Yinbin Miaob，April Novakb，John W.放大图片作者：Petersond.放大图片创作者：Georgea，Johna，Johna，John b.斯潘塞，斯威塔·维拉哈万，Antonio Recueroa，Dewen Yushua，Yaqi Wanga，Andy Wilkinse，Christopher Wongaa爱达荷国家实验室，爱达荷福尔斯，ID，83415，美国b阿贡国家实验室，Lemont，IL 60439，美国cLos Alamos National Laboratory，Los Alamos，NM 87545，美国dAkselos公司，2101 West Blvd.，Houston，TX，77042，美国eCSIRO Mineral Resources，PO Box 883，Kenmore 4069，澳大利亚f澳大利亚联邦科学与工业研究组织能源公司，地址：Private Bag 10，Clayton South，VIC，3169，g印度科学院土木工程系，班加罗尔，卡纳塔克邦560012，印度ar t i cl e i nf o文章历史记录：2022年8月12日收到2022年8月26日接受关键词：多物理场面向对象有限元框架a b st ra ct过去两年是MOOSE社区和软件本身前所未有的增长时期。网站的月访问人数从3 000多人增加到现在的平均5 000人。此外，自2020年初以来，已合并超过1，800个拉取请求，新的讨论论坛平均每月有600名独立访客。上一篇出版物自2年前出版以来已被引用200多次。这篇论文是对过去两年中代码和生态系统的一些关键添加和更改的更新，并表彰了社区的贡献。©2022作者（S）。Elsevier B.V.出版，保留所有权利。代码元数据当前代码版本V2.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-22-00239可复制胶囊的永久链接https://github.com/idaholab/moose/tree/2022-06-10-release法律代码许可证GNU LGPL使用git的代码版本控制系统使用C++、MPI、OpenMP、python的软件代码语言、工具和服务编译要求、操作环境和依赖关系要求：GCC/Clang C++17兼容编译器; 16 GB内存（调试）buildings）; 64位x86 + Apple Silicon支持; 30 GB磁盘空间操作环境：Linux，macOS > 10.12版本：PETSc，libMesh如果可用，请链接到开发人员文档/手册https://mooseframework.inl.gov/问题支持电子邮件https://github.com/idaholab/moose/discussions原文DOI：https://doi.org/10.1016/j.softx.2020.100430。*通讯作者。电子邮件地址：guillaume. inl.gov（Guillaume L. Giudicelli）。https://doi.org/10.1016/j.softx.2022.1012022352-7110/©2022作者。 Elsevier B.V.出版，保留所有权利。1. 面向应用程序开发人员的更改自动微分[1]系统已经转向基于全局自由度指数的插入导数这允许构建具有高度任意性的残差可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页：www.elsevier.com/locate/softx亚历山大·D作者：Lindsay，作者：Gaston，Cody J.Permann等人软件X 20（2022）1012022自由度的依赖性，并发现在一些有限体积离散大元素的stenches和耦合断开网格域的系统代码计算和砂浆方法是有用的。C++容器的并行通信和简化在大多数情况下可以通过一行代码实现。模板化的消息传递接口接口（TIMPI）根据需要动态创建新的MPI数据库进行通信，自动分发到适当的实现。通过专门化一些TIMPI元类来支持用户类，并且递归地处理还可以使用通用算法对任意数据进行全局“推"和”拉"（查询-响应），使用非阻塞屏障和输入/输出来支持大量处理器之间的该算法广泛应用于多物理场面向对象仿真环境（MOOSE）和libMesh库代码中，也可供应用程序开发人员使用。在MOOSE中添加砂浆有限元框架并进行验证。它在接触力学和间隙传热建模中的使用提高了求解器的收敛性和结果质量，实际核反应堆模拟[3]。除了有限元离散技术，MOOSE还增加了对单元中心有限体积离散的支持MOOSE [4]中的有限体积具有梯度重建、各种一阶和二阶平流离散化策略以及任意（非）结构化网格的非正交和倾斜校正。正如有限元一样，MOOSE中的有限体积具有本文其他地方描述的所有功能，包括自适应性，分布式和共享内存并行性以及耦合。了解多尺度、多物理场和并行仿真工具的性能可能是一个复杂的过程。应用程序执行中不合理的暂停会导致糟糕的用户体验。MOOSE增加了一个名为“PerfGraph”的功能PerfGraph通过手动检测代码段来工作。如果任何一个部分需要很长的时间来执行，一个单独的线程将开始打印进度信息到屏幕上。2. MOOSE生态系统增长MOOSE存储库托管模块，这些模块处理许多应用程序常见的物理问题。例如，除了先前存在的传热或流体流动模块之外，还创建了用于流体-结构相互作用[ 5 ]、非结构化网格上的射线追踪[ 2 ]、核反应堆网格化[ 6 ]、热工水力系统分析和地球化学[ 7 ]的新模块MOOSE现在通过Pytorch（LibTorch）的C++应用程序编程接口（API）支持基于神经网络的科学机器学习[8]。LibTorch的模块可用于生成和训练各种神经网络，作为基于MOOSE的模拟的低阶代理。3. 应用程序耦合更改多物理场紧耦合（分离迭代方法）的收敛可以使用定点序列加速方法来加速。目前采用的方法是割线法和Steffensen法[9]。MOOSE还增加了对应用程序之间传输信息的支持，这些应用程序可能具有不同的空间方向（旋转），单位（缩放），坐标系类型（Cartesian vs.柱面）和平移[10]。坐标变换类对于执行高保真度多物理场计算（如将三维Cartesian中子学计算与二维轴对称核燃料性能计算耦合）至关重要。4. 面向最终用户的变更在通过Google Groups邮件列表运营用户支持这一新平台在许多方面促进了增强的用户支持，主观上更好的搜索能力，更容易固定和突出新闻和当前生产问题，一旦达成解决方案，讨论更明显和外部合作者。开发人员生存质量的明显改进包括与问题分类和后续开发的更紧密集成，因为用户发现了代码库中的错误和限制。MOOSE增加了新的MeshGenerator系统，允许在MOOSE中生成和修改网格网格生成和修改可以是分布式和多线程的。MOOSE与各种平台和架构的兼容性继续增加，并在使用Apple芯片的MacOS平台上增加了对ARM64架构的支持。这是使用conda生态系统和conda-forge com中的架构优化编译器和[11]第11话MOOSE生态系统现在提供了一个灵活的二进制安装系统，可以开箱即用地将必要的库、文档页面、测试、示例和二进制文件安装到一个共享位置，供最终用户访问。该系统利用了MOOSE中的模块化Makefile系统，其中可能构建在多个物理模块或其他应用程序上的复杂应用程序自然地汇总形成单个可安装包。最近对HIT输入文件解析器的改进使MOOSE能够支持多个输入文件现在允许用户列出多个输入文件，这些文件随后将在模拟开始之前合并为单个输入。在命令行中还会生成有意义的错误和关于重写参数和对象及其位置的信息，因此最终用户可以轻松找到合并中的关注区域竞合利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作数据可用性文章中描述的研究未使用任何数据致谢MOOSE团队要感谢以下对框架核心的贡献者：Lise Charlot，Rui- jie Liu ， Nathaniel Peat ， Jieun Lee ， Lynn Munday ，Chandrakanth Bolisetti，Vishal Patel，Dmitry Karpeev，RichardC. Martineau ， Sterling Harper ， Stephen Novascone ， JaronSenecal，Kyle Gamble，Hailong Chen，Alain B.作者：Giorla，Larry Aagesen ， Shane Stimpson ， CiCi Pham ， Yidong Xia ，Brandon Langley ， Shane Stafford ， Daniel Vogler ， Adam X.Zabriskie，John Hutchins，Joshua Hanophy，An- drew Parnell，Marie Backman ， Congjian Wang ， Brycen Wendt ， GavinRidley ， Philip Jagielski ， Frederick Gleicher ， Stephanie Pitts ，Daniel Ruprecht ， Daniel VanWashenova ， Malachi Tolman ，Mark Messner ， Dylan McDowell ， Ziyu Zhang ， Ling Zou ，Mathias Winkel ， Michael Tonks ， Ju-Yuan Yeh ， MatthiasKunick ， John-MichaelBradley ， JohnMangeri ， PritamChakraborty ， Casper Versteeg ， Ian Greenquist ， SrivatsanHulikal，Giovanni Pastore，Bradley Fromm，亚历山大·D作者：Lindsay，作者：Gaston，Cody J.Permann等人软件X 20（2022）1012023William Hoffman，Stephen Thomas，Mike Rose，PhilippSchaedle，Heather Sheldon，Pastana Jayasundara，Jed Brown，Al Casagranda，Steve Prescott，Michael Short，Jacob Peterson，Alex McCaskey，Yuxiang Wang，Jacob Bair，WeixiongZheng，Danielle Perez，An- drea Jokisaari，Paolo Balestra，Xueyang Wu，Parikshit Bajpai，Yingjie Liu，Spencer Gehin，Andrea Alfonsi，Kevin J. Dugan，Robert Ki- noshita，moosebuild，Matt Ellis，Axel Seoane，Mark L.放大图片创作者：Tami Grimmett，Som L.Dhulipala，Nick Thompson，Weiqian Zhuo，Katie Wilsdon，and Andrew Hermosillo.本研究部分由美国能源部核能办公室NEAMS项目资助，合同编号为DE-NE 0008983。这项研究工作的一部分是通过爱达荷国家实验室（INL）这项研究利用了爱达荷国家实验室高性能计算中心的资源，该中心由美国能源部核能办公室根据合同号DE-AC 07 - 05 ID14517提供支持。引用[1] Lindsay A，Stogner R，Gaston D，Schwen D，Matthews C，Jiang W，etal. MetaPhysicL中的自动微分及其在MOOSE中的应用。核技术2021;207：905-22。http://dx.doi.org/10.1080/00295450.2020的网站。一八三八七七。[2] Gaston博士，并行，异步光线跟踪，可扩展，3D，非结构网格上特征中子输运的全堆芯方法（博士论文），麻省理工学院;2020。[3]Recuero A，Lindsay A，Yushu D，Peterson JW，Spencer B.核燃料性能模拟用 迫 击 炮 热 - 机 械 接 触 计 算 框 架 。 核 工 程 2022;394 ： 111808 。http://dx.doi.org/10.1016/j的网站。nucengdes.2022.111808.[4]放 大 图 片 作 者 ： J. J. 尼 姆 斯 蟹 爱 达 荷 州 国 家 实 验 室 ; 2021 年 ，http://dx.doi.org/10.2172/1847108。[5]Dhulipala SLN ， Bolisetti C ， Munday LB ， Hoffman WM ， Yu CC ， MirFUH等人，开源计算平台中综合声学流体-结构相互作用能力的开发，验证和验证。2022年. http://dx.doi.org/10.1002/eqe.3659网站。[6]Shemon E，Jung YS，Kumar S，Miao Y，Mo K，Oaks A，et al. MOOSEframework meshing enhancements to support reactor analysis.阿贡国家实验室; 2021年，http://dx.doi.org/10.2172/1821454。[7]Wilkins A，Christopher PG，Harbour L，Podgorney R. MOOSE地球化学模块。J Open Source Softw 2021;6（68）：3314. http://dx.doi.org/10的网站。21105/joss.03314。[8]Paszke A ， Gross S， Massa F ，Lerer A， Bradbury J， Chanan G ， et al.Pytorch：An imperative style，high-performance deep learning library.神经IPS 2019。http://dx.doi.org/10.48550/arXiv.1912.01703网站。[9]Hu R，Nunez D，Hu G，Zou L，Giudicelli G，Andrs D，et al.基于SAM和叉角羚的集成系统和工程规模热流体分析能力的开发。在：ANL/NSE-21/36。 阿贡国家实验室;2021年。[10]Lindsay AD ，Harbour L，Giudicelli GL，Icenhour C，Kong F，StognerR，et al.支持多物理场模拟的MOOSE框架中面向用户的改进。爱达荷州国家实验室; 2022，INL/RPT-22-67144。[11] 康达 福吉社区 conda-forge项目 ：基 于conda包格 式和生态 系统的 社区Zenodo; 2015，http://dx.doi.org/10.5281/zenodo.4774216。