PolyMPS：基于多边形壁的开源CFD求解器，采用移动粒子半隐式方法的自由表面流动模拟

软件影响14（2022）100376原始软件出版物PolyMPS-一个基于多边形壁的开源CFD求解器，采用移动粒子半隐式（MPS）方法鲁本斯·奥古斯托·阿马罗·朱尼尔，郑良义建筑工程系，圣保罗大学理工学院，Av。Prof. Almeida Prado，trav. 2，83 - Cidade Universitária，05508-070 São Paulo，SP，BrazilA R T I C L E I N F O保留字：MPs自由表面流A B标准PolyMPS是一个C++代码，用于从两种不同的方式，即不可压缩和弱可压缩方法，使用无网格移动粒子半隐式（MPS）方法进行自由表面流动的数值模拟。除了由离散的壁层和虚拟（幽灵）粒子表示的传统固体壁边界之外，边界壁可以由三角形的多边形网格建模，从而提供了对三维复杂形状物体的表面建模的灵活性。目前的代码有一个轻量级的和高效的CPU实现，使用OpenMP的研究和实际应用，同时提供可靠的结果。代码元数据当前代码版本1.0用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/SoftwareImpacts/SIMPAC-2022-96可再生胶囊的永久链接https://codeocean.com/capsule/5706048/tree/v1法律代码许可证MIT许可证使用git的代码版本控制系统使用C++、OpenMP的软件代码语言、工具和服务编译要求，操作环境依赖性C++11，Eigen，libigl，JSON for Modern C++如果可用链接到开发人员文档/手册问题支持电子邮件rubens. usp.br1. 介绍在计算流体动力学（CFD）的背景下，已经提出了许多数值方法来预测水力、海岸、海洋和近海问题中的水动力流动行为，并且基于网格或网格的方法， 例如有限差分（FD）、有限体积 （FV）和有限元（FE），通常应用于此类问题。然而，这些方法都有一定的局限性，特别是对于边界变形、破碎、合并、界面移动等自由面流动问题，需要进行自由面跟踪、网格重划分等数值处理，增加了计算复杂度。无网格粒子法[1，2]由于其易于实现和灵活性，为自由曲面建模提供了新的视角流在这些方法中，所有的物理域都用一个集合来表示节点（粒子），没有额外的网格约束。通常，应用于自由表面流的基于粒子的方法可分为两组：基于弱可压缩和不可压缩投影的方法[3]。前者如光滑粒子流体动力学（SPH）[4，5]或弱可压缩移动粒子半隐式（WC-MPS）[6]方法以完全显式形式求解适当的状态方程。后者如移动粒子半隐式（MPS）[7]或不可压缩平滑粒子流体动力学（ISPH）[8，9]方法通过投影方法[10不可压缩流体的投影方法通常被期望在流体动压力计算方面提供更高的精度本文中的代码（和数据）已由Code Ocean认证为可复制：（https://codeocean.com/）。更多关于生殖器的信息徽章倡议可在https://www.elsevier.com/physical-sciences-and-engineering/computer-science/journals上查阅。∗通讯作者。电子邮件地址：rubens. usp.br（R.A. Amaro Junior），cheng. usp.br（L.-Y. Cheng）。https://doi.org/10.1016/j.simpa.2022.100376接收于2022年6月15日;接受于2022年2665-9638/©2022作者。由Elsevier B.V.出版。这是一篇开放获取的文章，使用CC BY许可证（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表软件影响杂志 首页：www.journals.elsevier.com/software-impactsR.A. 小阿马罗和L.-Y. 程软件影响14（2022）1003762图1.一、使 用 Po l y M P S 进行计算流体分析的 步 骤 。和体积守恒。另一方面，显式弱可压缩粒子方法可以在图形处理单元（GPU）上更简单地并行化，这是大型且昂贵的高性能计算（HPC）集群的廉价且便携的替代方案。此外，变化和新的配方通常更容易实现弱可压缩代码。在基于粒子的方法的常规代码中，壁边界由离散的壁粒子层来建模。然而，从实际的角度来看，多边形壁模型是更灵活的三维（3D）任意复杂形状的物体的表面建模比传统的基于粒子的表示。鉴于上述情况，PolyMPS是一个轻量级和灵活的代码，用于研究和实际的3D自由表面流动应用，使用无网格移动粒子半隐式（MPS）方法与不可压缩和弱可压缩方法。此外，固体壁可以由三角形的多边形网格建模，或者由壁和虚拟（幽灵）粒子的离散层2. 描述移动粒子半隐式（MPS）方法最初被提出用于模拟不可压缩自由表面流[7]。MPS表示具有一组移动粒子（没有任何连接）的连续体，在该连续体上求解流动控制方程。包含一组连续介质材料性质的粒子在由权函数（也称为核函数）控制的范围（紧支撑）内相互作用，并根据粒子相互作用和外力在拉格朗日系统中运动。流体粒子以自然的方式移动，使得自由表面、流体-流体界面或移动边界不需要被明确地跟踪。此外，作为一种无网格方法，MPS可以有效地避免网格缠结，因此不需要重新划分网格。因此，MPS对于涉及自由表面大变形、破碎和合并的流动，或涉及复杂形状的多体、多相流和多相流问题的模拟是非常有效的。通常使用不可压缩或弱可压缩方法计算压力。在不可压缩MPS中，控制方程的时间积分最初采用预测-校正半隐式算法。此外，求解线性压力泊松方程（PPE）系统，以保持粒子数密度作为不可压缩性的约束条件，以获得压力[7]。另一方面，完全显式算法在弱可压缩方法中，采用粒子数密度偏差来弱地加强不可压缩性，这提供了由状态方程（EOS）计算的粒子压力[6]。PolyMPS代表运动P文章S半隐式方法中的多边形壁流体动力学方程建模的数值算法基于弱可压缩[6，13，14]和不可压缩[7，15，16] MPS公式。除了基于粒子的壁建模之外，实体边界可以使用具有自由和无滑动边界条件的显式表示多边形（ERP）壁边界模型[17]由三角形化表面表示。 自由表面颗粒的检测可以通过以下方式完成：PND +相邻条件的数量[18]，相邻颗粒质心偏差（NCPD）技术[19]或扫描区域[20]。为了提高数值稳定性，可以采用粒子移动[21，22]和粒子碰撞[18，23]模型。此外，在PolyMPS中，可以在X，Y或Z轴上施加周期性边界条件为了实现比解释型语言更好的性能此外，为了在代码编译期间最小化对外部库的硬依赖性，仅需要仅头部库，即用于现代C++的Eigen1libigl2和JSON 3，即不需要单独编译这些库PolyMPS支持使用共享内存OpenMP方法的硬件需要编译一组C++源文件以生成PolyMPS二进制文件。我们提供了一个Makefile，可以用来编译代码，用户可以修改它以满足自己的需要。源文件 有描述MPS公式和算法的注释图1说明了使用PolyMPS进行计算流体分析的工作流程。PolyMPS中使用的输入文件有三种类型：JSON，GRID和STL。JSON（JavaScript Object Notation）是一种文本数据格式，完全独立于语言，易于阅读 或者使用任何标准文本编辑器编写。 JSON文件包含所有文件和文件夹的名称，以及模拟案例的物理和数值参数。GRID文件具有类似XYZ文件的结构，具有粒子的初始坐标以及数值和物理参数，例如材料id、初始速度和初始压力。STL文件包含单位法线和顶点的信息用非结构化的三角形曲面来近似实体壁的三角形。用户应根据问题的初始条件输出由PVD和VTU文件组成，两者都是基于XML的格式。PVD（ParaView数据）提供指向VTU文件集合的指针。VTU文件存储粒子在模拟的不同时刻以数值方式获得的物理值：output00000.vtu、output00001.vtu、output00002.vtu、.。这些文件可以加载到科学可视化软件ParaView中。41https://eigen.tuxfamily.org/index.php? title=首页。2https://libigl.github.io。3 https://json.nlohmann.me。4 https://www.paraview.org。R.A. 小阿马罗和L.-Y. 程软件影响14（2022）1003763图二. 模拟的快照显示PolyMPS的功能。粒子的色标表示速度。(For对本图图例中所指颜色的解释，读者可参考本文的网络版3. 影响概述受基于无网格粒子和基于网格的方法与实际水利和岩土工程问题之间具有挑战性的耦合的启发，PolyMPS已用于多项工作[14，24，25]。为了说明PolyMPS的适用性，从各种物理现象中获得的数值模拟如图所示。二、在第一个例子中，前波冲击下游壁并产生垂直助跑射流。在第二种情况下，在流体柱坍缩之后，在横向极限处的周期性开放边界允许波前相遇，导致垂直射流。最后，第三个例子显示了由于尾矿坝坍塌而导致的淹没区域。据我们所知，没有一个免费的MPS代码，包括弱可压缩和不可压缩的流动，以及颗粒和多边形壁。因此，PolyMPS具有很大的潜力，被广泛的流体力学科学界所使用4. 软件的未来改进作为下一步和未来的改进，我们可以提到：• 扩展代码以模拟非牛顿流体[23]。• 与开源有限元求解器耦合，5然后提供一个自由的数值平台来模拟高度非线性的水弹性问题。• 通过使用大规模并行代码[26]和与GPU架构[27]相结合的众核实现并行求解器，能够处理实际的大规模问题。• 边界壁由具有离散符号距离函数（SDF）的标量场表示[28]，旨在提高计算粒子和网格之间距离• 通过采用数值边界积分[29]、半解析边界积分[30]或解析体积积分[31]提高多边形壁形式的精度。• 包含多分辨率技术（见[32]中的表1）也应该根据我们代码的自适应性和通用性进行评估。CRediT作者贡献声明Rubens Augusto Amaro Junior：概念化，方法论，软件，验证，形式分析，写作-原始草稿，可视化。郑良义：概念化，方法论，写作5 https://www.cfdsupport.com/cae-open-source-software.html。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致谢提 交 人 要 感 谢 Coordenação de Pessoal de Nível Superior - Brasil（CAPES）- Finance Code01.我们感谢Seiichi Koshizuka、Kazuya Shibata、Masahiro Kondo和Takuya Matsunaga提供了一个基本的MPS代码，以及他们的MPSBook[33]，在此基础上实现了当前的改进和几个功能引用[1]S.李伟光Liu，Meshfree particle methods，Springer Science& Business Media，2007。[2]M. 刘 ， G.- R. 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