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SoftwareX 7(2018)88原始软件出版物LUMA:一个基于Lattice-Boltzmann方法的众核阿德里安Harwood*,JosephRevell曼彻斯特大学机械、航空航天和土木工程学院,Sackville Street,M1 3BB,英国ar t i cl e i nf o文章历史记录:2018年1月11日收到2018年2月13日收到修订版,2018年保留字:格子-玻尔兹曼方法离散元方法流动模拟a b st ra ct曼彻斯特大学(LUMA)的格子-玻尔兹曼方法项目被委托建立一个协作研究环境,使所有能力的研究人员都可以研究从空气动力学到医学的工程应用中的它是建立在无障碍、简单和灵活的原则之上的。该项目的核心LUMA软件是一个强大的FSI求解器,具有湍流建模和众核可扩展性,以及丰富的输入/输出和预处理和后处理设施。该软件已经过验证,几个主要版本在国际超级计算设施上取得了基准软件体系结构是模块化的,并使用最小量的面向对象逻辑排列,以保持一个简单和可访问的软件。版权所有©2018作者.由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)中找到。代码元数据当前代码版本v1.7.3用于此代码版本的代码/存储库的永久链接https://github.com/ElsevierSoftwareX/SOFTX-D-18-00007法律代码许可证Apache许可证2.0使用Git的代码版本控制系统使用C++、MATLAB、Python、MPI、OpenMP的编译要求、操作环境依赖性Windows/Linux/Mac OS、C/C++编译器、MPI、HDF 5、LAPACK、VTK开发人员文档/手册https://github.com/aharwood2/LUMA/wiki问题支持电子邮件adrian. manchester.ac.uk1. 动机和意义计算流体动力学(CFD)是一门利用计算机模拟流体物理行为的科学。它是设计、分析和验证的重要工具。一组合适的离散传输方程的物理流体的离散时间步长求解产生的物理量,如速度,密度和压力的时变空间场。类似地,可变形物体的结构力学可以使用牛顿运动定律建模流固耦合分析是计算流体力学与结构力学的耦合分析。这些求解器的现有软件实现在复杂性、准确性和速度方面有所不同,这取决于所选择的建模策略。流体动力学求解器通常基于欧拉方法,如有限体积法(FVM)[1通讯作者。电子邮件地址:adrian. manchester.ac.uk(A.R.G. Harwood)。https://doi.org/10.1016/j.softx.2018.02.004光滑粒子流体动力学[5]。有限元法(FEM)在工程中广泛用于结构建模[6,7]。LUMA的发展继续受到广泛的FSI问题的激励,其中仿真是必不可少的。特别是,柔性细丝的建模在空气动力学减阻[8]、流动控制[9]和传感[10]领域中是一个非常重要的领域。在研究环境中,建模和仿真软件应该是开发新功能的有效平台,同时保持简单性,以便于修改和调试。这加速了具有一系列编程经验的学生对软件的吸收,并减少了在短项目时间内做出有意义贡献的障碍功能齐全的开源工程软件[3,11]充分利用面向对象的功能,以实现最大的代码重用和灵活性。然而,这个软件可能很难为新手用户定制,并且可能成为研究的障碍LUMA是为那些在面向对象编程(OOP)语言方面经验较少的贡献者开发的,它在类设计中使用了一组逻辑但简化的OOP特性2352-7110/©2018作者。由爱思唯尔公司出版这是CC BY许可下的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表SoftwareX期刊主页:www.elsevier.com/locate/softx*A.R.G. Harwood等人/SoftwareX 7(2018)8889⃗∈⃗)表1自LUMA v1.7以来可用的功能列表。自LUMA v1.7起的功能Git版本控制Doxygen文档完整Wiki与验证案例LBM拉核浸没边界法[22]嵌入式网格细化[13] MPI众核并行负载平衡分解实体力计算[23]回弹无滑移边界条件插值回弹边界条件[24]强制平衡速度边界条件正则速度边界条件正则压力边界条件对称边界条件(镜面反射)周期性边界条件体强迫Smagorinksy湍流模型SRT/BGK碰撞模型KBC碰撞模型时间平均设施点云阅读器HDF到VTU后处理器点云输入文件的HDF5输出继承与不相关的函数保持在单一级别抽象到管理课程中的物理学。方法和字段直观地命名,并采用编码标准以提高清晰度而不是优雅性。2. 软件描述曼彻斯特大学(LUMA)的Lattice-Boltzmann是一项旨在为复杂的工程仿真开发新颖的物理建模的计划,该计划以灵活但对开发人员友好的多核加速软件框架为基础。开发是协作的,包容的,以简单的版本控制流程为中心,定期发布开发人员版本计划和持续验证。该计划的核心是在空气动力学、生物流体和流量控制方面的应用。2.1. 流动解算器选择流动求解器对于在管理复杂性的同时实现所需的精度水平至关重要格子玻尔兹曼方法(LBM)[12]是模拟流动物理的传统方法的替代方法,其特点是简单。LBM不是像大多数CFD软件那样求解Navier-Stokes方程∂+e·f=0(1)其中f是与一组粒子相关联的概率密度分布,ε是局部粒子碰撞算子,e是粒子速度。该方程可以在空间和时间上离散化,其中空间离散化基于我们称为网格的节点位置的均匀网格如果速度空间被类似地离散化,使得粒子群仅被允许沿着空间节点之间的一组链路行进,则fi f其中fi是在给定节点位置以速度ei找到粒子的概率。然后,离散的格子玻尔兹曼方程简化为f(αx+αeiδt,t+δt)=αi(αx,t).(二)Eq的解(2)作为两步过程进行:(1)在碰撞操作下计算粒子分布,接着(2)这些粒子沿邻接的晶格链向它们的直接相邻粒子对流。这两个步骤在本文的其余部分中分别称为局部网格分辨率的变化对计算效率至关重要;细粒度计算仅在感兴趣的领域在LUMA中,通过在其他网格中嵌入更高分辨率的网格来实现细化LUMA提供手动和自动方法来定义这些网格的位置,并支持嵌套以允许构建网格层次结构。因子二的空间和时间细化应用于每个过渡。时间步进在每个网格上以其局部时间尺度进行Rohde等人的算法。[13]由于其简单性和效率而用于在相邻网格之间通信种群。2.2. 结构解算器结构求解器基于有限元法(FEM),专为经历大变形的高纵横比结构(例如襟翼、细丝、纤毛)而设计[14]。采用共旋Euler-Bernoulli梁单元表示结构,通过Newton-Raphson子迭代的非线性有限元公式,考虑了大变形引起的几何非线性。二阶时间步进是通过隐式Newmark时间积分方案实现的。虽然目前柔性物体仅使用这些类型的元素建模,但结构求解器的设计确实允许根据需要将其他元素添加到LUMA开发人员必须定义并实现适当的映射,以便在流体和所选元素之间传递位移/力2.3. Fluid–structure浸没边界法(IBM)用于在LUMA内对可变形体实施无滑移条件[15,16]。这种方法的好处是,它允许流体和结构在它们自己的独立网格上单独处理-无需定期重新网格化程序-同时还促进大的结构变形,这在贴体网格中是具有挑战性的结构表示为具有影响范围的曲面标记每个流体时间步,双向力信息在此球体出于效率目的,LUMA仅能够处理流体网格分辨率比结构网格更精细的情况。这是通过IBM力和FEM结构之间的映射例程来实现的为了确保在广泛的输入条件下的稳定性,强耦合子迭代方案用于FSI耦合[17]。在子迭代过程中,使用固定松弛因子来更新结构速度[18],并且当连续迭代之间的差达到公差值时实现收敛。2.4. 软件功能LUMA是用C/C++编写的,专为运行Linux、MacOS或Windows的x64机器软件可以编译为串行或并行运行,这取决于需求和目标平台的能力。并行计算能力的实现,通过分解的问题到负载平衡块添加晕细胞(幽灵细胞)。halo单元之间的块间通信使用消息传递接口(MPI)[19],并且使用OpenMP为每个块实现多线程输入/输出(I/O)设施包括表面网格构造和点云读取和预处理工具。点云可以从深度传感相机或CAD几何生成,后者使用我们的并行二进制数据I/O是使用分层数据格式实现的5(HDF5)[20],并允许读取初始条件,(阿勒特90A.R.G. Harwood等人/SoftwareX 7(2018)88(a) LUMA架构显示了按功能划分的类和抽象系统,允许建模可见,但支持框架对新手开发人员隐藏。数据流由实线箭头指示。 Body类和它的派生子类之间只有一层继承。 GridObj实例可以彼此拥有以允许构造层次结构。(b) 演示如何使用多个Body实例和多个GridObj实例构建复杂问题。网格实例根据它们在层次结构中的级别以及它们的分支(细化区域)进行标记图1.一、LUMA软件的架构(顶部)和使用多个实体和网格的典型问题的可视化表示,以及这些如何映射到软件环境中的对象(底部)。(有关本图中颜色的解释,请参阅本文的网络版本重新启动模拟以及编写数据集以供以后分析。虽然HDF5文件可以直接读入Matlab和TecPlot等科学可视化应用程序,但使用可视化工具包(VTK)API [21]定制的复杂后处理器可以生成时间片数据集,旨在实现Paraview可视化工具的更高级功能这些功能的集成使LUMA成为一个强大的,有能力的,集成的工程流模拟软件包。LUMA的关键特性如表1所示,其中许多功能在在线文档中包含的测试用例中得到了演示2.5. 软件构架由于LUMA项目的主要精神是简单性和可访问性,因此软件架构始终反映了这一点阶级等级是极简主义的和肤浅的。面向对象的设计是用来包装功能,而不是过度概括层次结构中的然后,所得到的软件完全由图1(a)中描绘的少量类表示。图中的彩色编码表示这些类如何打包功能。流体求解器组件(绿色)和结构求解器组件(黄色)与支持它们的软件管理框架这种结构允许工程师只编辑一个类,其中存储了所有相关的模型,而不需要任何其他细节。模拟的基本流物理对象是GridObj类的实例。这个类别的对象可以被分层组织,以提供表示物理域空间的直观结构这些对象包含在各自的网格上执行LBM所需的所有数据和方法具体来说,它们包含网格中每个节点处的物理参数的1D阵列,例如密度和速度,以及用于在该网格上执行流体算法的不同部分的方法。数据存储为数组结构,以促进循环期间的高效索引附录(清单1)中提供了类头文件的一个片段以供参考请注意,允许多个GridObj和Body实例,这有助于需要嵌入式网格细化和多个主体的模拟,如图中的示例所示。1(b).为了提高运行时效率,大多数参数(如分解维度、功能开关和基本物理定义)都可以解释特定问题或部署A.R.G. Harwood等人/SoftwareX 7(2018)8891(a) 充分发展流动中涡量的Q准则图解流向速度投射到渠道底部(b) 在横向位置z/H=0处不同流向位置的流向雷诺应力uu/Ub2与实验数据的比较图二. 使用LUMA模拟Meinders和Hanjalić实验案例的结果[25]。被定义为特殊头文件definitions. h中的预处理器宏。因此,如果这些编译时选项被更改,则必须重新编译LUMA核心。但是,这个过程是由提供的makefile自动处理的,以保持易用性。实体详细信息在制表符分隔的geom-body.config文件中指定,该文件允许在同一个流中包含任意数量的实体,以及在不使用需要重新编译。为模拟中的每个栅格写入输出文件,并在同一文件中附加快照LUMA执行期间的典型数据流由图中的箭头示出。1(a).MpiManager、ObjectManager和GridManager是单例设计的类,作为自包含的元素,明确的职权范围每个类管理众核分解和通信、对象处理和FSI促进以及流求解器与网格细化分别。最后,GridUtils和GridUnits类是静态实用程序方法的组织类,包括常用的向量和矩阵操作,日志记录功能和单位转换。由于软件被设计为在多个处理器上并行运行,因此结构对象由负责执行结构更新的可用集群这允许有效地包括多个对象,并且所 有 结 构 计 算 能 够 同 时 进 行 然 后 , 在 LBM 继 续 之 前 ,ObjectManager会强制执行同步。作为软件开发过程的一部分,定期进行性能测试。在线文档中提供了强并行和弱并行效率92A.R.G. Harwood等人/SoftwareX 7(2018)88=×==3. 说明性实例以下示例案例展示了LUMA的关键功能:湍流模拟和用户可以按照在线文档的“验证”部分提供的详细信息复制这些文件3.1. 湍流通道中的壁装立方体该测试用例基于Meinders和Hanjalić的风洞实验[25],并对通道内25 × 10立方体阵列中的一个中心立方体周围的流动进行建模。流动雷诺数Re3850基于立方体的高度H和通道入口处的总体速度Ub。 图图2(b)示出了相对于立方体前表面不同位置处的五条垂直线上的流向雷诺应力uu/Ub2。本例使用Smagorinsky湍流模型[26],c smag为0。3、利用反弹刚壁边界条件、点云读取器和几何输入文件来放置立方体。使用LUMA提供的后处理工具和使用Matlab和Paraview可视化的数据3.2. 低雷诺数下柔性细丝的动力学该2D FSI情况的配置由刚性圆柱体组成,该刚性圆柱体具有在通道流内略微偏心嵌入的附加柔性板[27]。在入口处指定抛物线速度剖面,其在前两秒内斜升。在通道壁处使用无滑移条件,并且出口边界条件可以是LUMA中可用在中等雷诺数情况下(Re100),平板表现出稳定的周期性扑动.图3(b)显示了在该雷诺数下LUMA和基准尖端位移历史之间的良好一致性。4. 影响LUMA软件的当前版本是一个长期项目的高潮,该项目为晶格玻尔兹曼研究人员提供了一个可访问的培训和开发平台它已在英国国家超级计算机ARCHER上部署和基准测试,并继续由曼彻斯特大学和我们的英国,欧盟和中国合作者在这个和其他HPC设施上使用LUMA目前作为一个测试平台,为开发一个新的长期软件旗舰项目提供新功能,该项目由英国工程和物理科学研究委员会为英国中尺度工程科学联盟(UKCOMES)资助,该组织涉及英国10多家研究机构LUMA源文件的可访问性及其广泛的注释,自动生成的文档和支持工具和脚本套件,形成了一个强大的,连贯的培训平台,并支持出版标准的数值研究。完整的LUMA软件包使曼彻斯特大学的研究人员能够使用该软件,并在几乎没有正式支持的情况下立即为其开发做出LUMA适用于复杂流固耦合和湍流问题的模拟这些是工程中建模仿真的一些最具挑战性的应用,需要有能力的软件来支持他们的调查。LUMA的扩展功能,如嵌入式网格细化以及多核架构中流体和结构求解器的独立并行化,对于追求流量控制和生物启发工程解决方案的应用是至关重要的(a) 圆柱体-细丝组合体后面的涡街图示。颜色代表涡旋。(b) 尖端位移历史与基准数据的比较。图3.第三章。Turek和Hron使用LUMA模拟基准的结果[27]。(For对于图中颜色的解释,请读者参考本文的网络版本在创建LUMA之前,具有这种能力的开源求解器的数量是有限的,通常缺乏适当的建模,并且新手用户很难修改。LUMA计划和配套的软件平台对内部工作流程产生了重大影响,并为各级研究人员营造了更加协作的氛围。LUMA的支持框架目前正在进一步开发中,以允许耦合到其他CFD求解器。通过这种方式,LBM核心可以耦合到传统的FVM/FEM求解器。这种新颖的混合计算方法允许更有效的负载平衡和功率效率,加速计算。最后,LUMA LBM核心的分叉已用于这是一种新兴的模拟使用模式,在[29]中,GPU加速的LUMA核心用于进行模拟,这将包含在LUMA的未来版本中。LUMA的交互式分支受益于主干代码的所有支持结构,无需修改,这说明了原始软件的模块化。5. 结论本文介绍了LUMA,一个具有嵌入式网格加密的三维众核流固耦合求解器。模块化架构,全面的评论和明确的编码标准,产生了一个可访问的,但有能力的解决方案,适合未来的建模和仿真在工程中的应用。该软件已被英国和国际研究人员使用,是许多英国EPSRC资助项目的核心工具。该软件的开发正在进行中,新功能正在开发中。未来的计划包括合并LBM核心的GPU加速分支,以促进在异构系统上的部署。该软件也正在进行调整,以允许与其他求解器耦合,从而能够在计算流体动力学分析中使用混合方法。A.R.G. Harwood等人/SoftwareX 7(2018)8893−−−−−确认这项工作得到了工程和物理科学研究委员会影响加速器帐户(批准号:EP/K503782/1)和UK Consortium on Mesoscale EngineeringSciences(Grant No.EP/L00030X/1)。阑尾 代码示例软件的基本类是GridObj类,其声明如下。1class GridObj二{34/打开/关闭Cstor & 德斯托 等. ./打开/关闭56 /联系我们联系我们会员资料联系我们/78公共场所:910/打开/关闭C EL L分型11 IVetorTy pe>LatTyp;/subGrid;3435/打开/关闭3D或4D阵列的节点特性36 IVectordouble >f;/Dis tributionfnction s37 IVectordouble>feq;/Equilibriumdistributionfnction s38 IVe ctordouble >fNew;/复制数据库功能39 IVectordouble >u;/Macrocopie locit ycomponts40 IVe ctoru_n;/force_xyz;/Maccopicbodyfocecomponents42 IVectordouble >force_i;/43 IVectordouble >rho;/Macroscopicdenity444546 /会员方法/4748公共场所:4950/ /I n i t i a l i s a t i o n 功能51void LBM_initGrid ();//Gri d 我不知道52 voidLBM_initSubGrid(GridObjpGrid);// Initialisesubgrid53 voidLBM_initGridToGridMappings(GridObjpGrid);//Inititiallisemappings54voidLBM_initBoundLab();// Initialise LABE L 为了 我们55voidLBM_initRefindLab(GridObjpGrid);// Initialise labe lsonrefined56voidLBM_initVelocity ();// Initialise 这是一个很好的地方, field57voidLBM_initRho();// Initialise 这是一个很好的例子 field58voidLBM_addSubGrid(intRegionNumber);//Constructasubgrid5960/打开/关闭 IO方法61voidio_restart(eIOFlagIO_flag);//读取/写入数据62voidio_probeOutput ();//将值设置为prob63i ntio_hdf5(doubletval);/ / HDF5 writer6465/打开/关闭主方法到执行则LBMI t e r a t i o n使用的私人 以下方法66 voidLBM_multi(intsubcycle=0);676869私人:7071/打开/关闭 LBM实现72void_LBM_strem(int 我, Int j, Int K, Int id,eTypetype_local , intsubcycle);//Streamingtep737494A.R.G. Harwood等人/SoftwareX 7(2018)8875767778798081828384858687888990919293949596979899清单1:GridObj类的基本设计,为了简洁起见,删除了构造函数/析构函数和一些简短的实用方法引用[1] 扎吉·S开放源代码有限体积流体动力学代码:一个免费的,基于并行,模块化 , 面 向 对 象 的 Fortran API 的 高 阶 求 解 器 。 ComputPhys Comm2014;185(7):2151-94.[2] 放大图片作者:Mortensen M. Oasis:一个高级别/高性能的开源Navier-Stokes求解器。Comput Phys Comm2015;188(增刊)C):177-88。[3] OpenFOAM:开源CFD工具箱。http://www.openfoam.com网站。[Ac-2017年12月7日[4] 流体- CFD模拟软件|ANSYS有限元http://www.ansys.com/en-gb/产品/流体。[2017年12月7日访问]。[5] Gomez-Gesteira M,Rogers B,Crespo A,Dalrymple R,NarayanaswamyM,Dominguez J. SPHysics -自由表面流体求解器的开发-第1部分:理论和公式。Comput Geosci2012;48(Suppl. 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C):363-73.void_LBM_coalesce(int 我, Int j, Int K, Int ID, Int (v);void_LBM_ex plode(intsrc_x, 在tsrc_y, 在tsrc_z 中, Int ID, IntV, )的情况下;void_LBM_collide(intid);//C语言中的一步void_LBM_macro(int 我, Int j, Int K, Int id,eTypetype_local);/打开/关闭得到数据 关于Sub-Grid/打开/关闭给 数据次网格/打开/关闭更新上奥城和密度void_LBM_forceGrid(intid);void_LBM_resetForces();double_LBM_equilibrium(int ID, Int(v);/打开/关闭额外型号void_LBM_kbcCollide(intid);doble_LBM_smag(int ID,doubleomega);/打开/关闭适用体积力/打开/关闭 复位身体部队到I n it i a l/打开/关闭 计算feq值/打开/关闭KBC 版本 的 c o l l is i o n/打开/关闭适用Smagorinsky模型/打开/关闭边界条件bool_LBM_applyBFL(int ID, 在SRC_ID中, Int V, Int 我, Int j, Int K, 在测试Src_x中, 在tsrc_y,intsrc_z);/打开/关闭适用BFL BCbool_LBM_applySpecReflect(int 我, Int j, Int K, Int ID, Int (v);void_LBM_regularised(int 我, Int j, Int K, Int Id,eTypetype,intsubcycle);/打开/关闭适用镜面接收BC/打开/关闭适用正规BC}的
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