力学分析开源软件简介

Palabos ()

PalaBos 的是一款高效的流体模拟及其建模库，开发基于C ＋＋的STL(标准模板库) ，有极强的拓展性！尽管其源代码是开放，但是基于PalaBos 的FlowKit 公司已于2011年9月开始运营（http://www.flowkit.com/），主要为流体力学相关领域提供解决方案，并定制软件。主要的开发者为我的日内瓦朋友Jonas Latt博士，另外一个重要开发成员Orestis 博士也是我的合作者和好朋友，其主要的贡献在于湍流模型和多块加密的代码的开发。在版本1.0中，目前二维的多块加密是可用的，三维的曲面边界可用，需要提供stl 几何文件（参：examples/showCases/aneurysm）。PalaBos 的主要特点在于，其在并行结构上采取并行机制与模型分离的方式，使得应用建模与并行机制不相关。这也使得PalaBos 的易于扩展。下面举例来说明其代码特点：

对于二维计算下面两个基本的文件必须包括

#include "palabos2D.h"

#include "palabos2D.hh"

#include

#include

#include

#include

#include

基本的名字空间

using namespace plb;

using namespace plb::descriptors;

using namespace std;

typedef double T;

基本模型的描述。对于PalaBos ，众多模型的应用，都是通过DnQmDescriptor 来描述的。用户可自定义！

#define DESCRIPTOR D2Q9Descriptor

初场的定义，建议使用这种方法

T poiseuilleVelocity(plintiY, IncomprFlowParamconst& parameters) { T y = (T)iY / parameters.getResolution();

return 4.*parameters.getLatticeU() * (y-y*y);

}

压力的定义

T poiseuillePressure(plintiX, IncomprFlowParamconst& parameters) { T Lx = parameters.getNx()-1;

T Ly = parameters.getNy()-1;

return 8.*parameters.getLatticeNu()*parameters.getLatticeU() / (Ly*Ly) * (Lx/(T)2-(T)iX);

}

密度场的定义

T poiseuilleDensity(plintiX, IncomprFlowParamconst& parameters) {

return poiseuillePressure(iX,parameters)*DESCRIPTOR::invCs2 + (T)1; }

根据坐标进行速度初始化

template

class PoiseuilleVelocity {

public:

PoiseuilleV elocity(IncomprFlowParam parameters_)

: parameters(parameters_)

{ }

void operator()(plintiX, plintiY, Array& u) const {

u[0] = poiseuilleVelocity(iY, parameters);

u[1] = T();

}

private:

IncomprFlowParam parameters;

};

根据坐标进行密度初始化

template

class PoiseuilleDensity {

public:

PoiseuilleDensity(IncomprFlowParam parameters_)

: parameters(parameters_)

{ }

T operator()(plintiX, plintiY) const {

return poiseuilleDensity(iX,parameters);

}

private:

IncomprFlowParam parameters;

};

零速度场初始化

template

class PoiseuilleDensityAndZeroVelocity {

public:

PoiseuilleDensityAndZeroV elocity(IncomprFlowParam parameters_)

: parameters(parameters_)

{ }

void operator()(plintiX, plintiY, T& rho, Array& u) const {

rho = poiseuilleDensity(iX,parameters);

u[0] = T();

u[1] = T();

}

private:

IncomprFlowParam parameters;

};

枚举类型，表示边界类型

enumInletOutletT {pressure, velocity};

建立几何

void channelSetup( MultiBlockLattice2D& lattice,

IncomprFlowParamconst& parameters,

OnLatticeBoundaryCondition2D&boundaryCondition, InletOutletTinletOutlet )

{

constplintnx = parameters.getNx();

constplintny = parameters.getNy();

下边界

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0, nx-1, 0, 0) );

上边界

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0, nx-1, ny-1, ny-1) );

设置相关边界

if (inletOutlet == pressure) {

boundaryCondition.setPressureConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0,0, 1,ny-2) );

boundaryCondition.setPressureConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(nx-1,nx-1, 1,ny-2) );

}

else {

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0,0, 1,ny-2) );

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(nx-1,nx-1, 1,ny-2) );

}

设置常密度和速度，边界的速度和密度同时被施加

setBoundaryDensity (

lattice, lattice.getBoundingBox(),

PoiseuilleDensity(parameters) );

setBoundaryV elocity (

lattice, lattice.getBoundingBox(),

PoiseuilleV elocity(parameters) );

初始化平衡态

initializeAtEquilibrium (

lattice, lattice.getBoundingBox(),

PoiseuilleDensityAndZeroV elocity(parameters) );

初始化模拟系统

lattice.initialize();

}

图片文件保存

void writeGif(MultiBlockLattice2D& lattice, plintiter)

{

constplintimSize = 600;

ImageWriterimageWriter("leeloo");

imageWriter.writeScaledGif(createFileName("u", iter, 6),

*computeVelocityNorm(lattice),

imSize, imSize );

}

VTK 保存

void writeVTK(MultiBlockLattice2D& lattice,

IncomprFlowParamconst& parameters, plintiter)

{

T dx = parameters.getDeltaX();

T dt = parameters.getDeltaT();

VtkImageOutput2DvtkOut(createFileName("vtk", iter, 6), dx);

vtkOut.writeData(*computeVelocityNorm(lattice), "velocityNorm", dx/dt); vtkOut.writeData(*computeVelocity(lattice), "velocity", dx/dt);

}

计算均方根误差

T computeRMSerror ( MultiBlockLattice2D& lattice,

IncomprFlowParamconst& parameters )

{

MultiTensorField2DanalyticalVelocity(lattice);

setToFunction( analyticalVelocity, analyticalVelocity .getBoundingBox(),

PoiseuilleV elocity(parameters) );

MultiTensorField2DnumericalVelocity(lattice);

computeV elocity(lattice, numericalVelocity, lattice.getBoundingBox());

return 1./parameters.getLatticeU() *

std::sqrt( computeAverage( *computeNormSqr(

*subtract(analyticalVelocity , numericalVelocity)

) ) );

}

主函数

int main(intargc, char* argv[]) {

plbInit(&argc, &argv);

global::directories().setOutputDir("./tmp/");

基本参数，Orestis 为我加入了另外的个构造函数，可直接在物理空间中定义这些参数！后续我将给出分析！

IncomprFlowParam parameters(

(T) 2e-2, // uMax

(T) 5., // Re

60, // N

3., // lx

1. // ly

);

const T logT = (T)0.1;

const T imSave = (T)0.5;

const T vtkSave = (T)2.;

const T maxT = (T)15.1;

constInletOutletTinletOutlet = velocity;

写日志文件

writeLogFile(parameters, "Poiseuille flow");

使用MultiBlockLattice

MultiBlockLattice2D lattice (

parameters.getNx(), parameters.getNy(),

设置松弛参数

new BGKdynamics(parameters.getOmega()) );

声明边界

OnLatticeBoundaryCondition2D*

boundaryCondition = createLocalBoundaryCondition2D();

channelSetup(lattice, parameters, *boundaryCondition, inletOutlet);

主循环

for (plintiT=0; iT*parameters.getDeltaT()

if (iT%parameters.nStep(imSave)==0) {

pcout

writeGif(lattice, iT);

}

if (iT%parameters.nStep(vtkSave)==0 &&iT>0) {

pcout

writeVTK(lattice, parameters, iT);

}

if (iT%parameters.nStep(logT)==0) {

pcout

ArrayuCenter;

lattice.get(parameters.getNx()/2,parameters.getNy()/2).computeVelocity(uCenter); pcout

碰撞迁移，此函数不再有bool 类型参数，其不同于Openlb

lattice.collideAndStream();

}

删除边界对象

delete boundaryCondition;

}

由此上面代码可以看出，PalaBos 的结构是非常清晰的，用户在实现过程也异常的简单！

——以上资料出自http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a40fba10100znv9.html

Paraview ()

Paraview 是一种开放源代码的，多平台数据分析和可视化软件包，使用Paraview 可以快速的进行数据的定量及定性分析。利用Paraview 既可以在图形化人机交互界面中从事图形图像处理，也可以由控制台通过程序实现数据处理。ParaView 支持海量数据的分布式可视化分析，既可以在笔记本电脑上实现数据分析，也可以在巨型机上数据的并行化分析。 ParaView 是对二维和三维数据进行分析和可视化的程序，它既是一个应用程序框架，也可以直接使用（Turn-Key ）。ParaView 支持并行，可以运行于单处理器的工作站，也可以运行于分布式存储器的大型计算机。ParaView 用C++编写，基于VTK （Visualization ToolKit）开发，图形用户界面用Qt 开发，开源、跨平台。

下图为其操作界面。

详细说明参见文档《ParaView 1.4使用指南》

Salome ()

Salome 是一个为数值计算提供预处理和后处理的开放源代码的通用平台，由众多可再用组件构成，这些组件适用于多种硬件架构。Salome 是一种前后处理的交叉平台解决方案，同样基于GNU GPL 协议，可以从其官方网站下载源代码及可执行文件。

Salome 既可以当作独立的应用软件包，用于数值计算的CAD 建模以及网格划分等前处理工具，以及结果分析的后处理工具。同时Salome 也可以用作集成平台，加入第三方数值模拟程序，构建完整的CAE 系统。

Palabos ()

PalaBos 的是一款高效的流体模拟及其建模库，开发基于C ＋＋的STL(标准模板库) ，有极强的拓展性！尽管其源代码是开放，但是基于PalaBos 的FlowKit 公司已于2011年9月开始运营（http://www.flowkit.com/），主要为流体力学相关领域提供解决方案，并定制软件。主要的开发者为我的日内瓦朋友Jonas Latt博士，另外一个重要开发成员Orestis 博士也是我的合作者和好朋友，其主要的贡献在于湍流模型和多块加密的代码的开发。在版本1.0中，目前二维的多块加密是可用的，三维的曲面边界可用，需要提供stl 几何文件（参：examples/showCases/aneurysm）。PalaBos 的主要特点在于，其在并行结构上采取并行机制与模型分离的方式，使得应用建模与并行机制不相关。这也使得PalaBos 的易于扩展。下面举例来说明其代码特点：

对于二维计算下面两个基本的文件必须包括

#include "palabos2D.h"

#include "palabos2D.hh"

#include

#include

#include

#include

#include

基本的名字空间

using namespace plb;

using namespace plb::descriptors;

using namespace std;

typedef double T;

基本模型的描述。对于PalaBos ，众多模型的应用，都是通过DnQmDescriptor 来描述的。用户可自定义！

#define DESCRIPTOR D2Q9Descriptor

初场的定义，建议使用这种方法

T poiseuilleVelocity(plintiY, IncomprFlowParamconst& parameters) { T y = (T)iY / parameters.getResolution();

return 4.*parameters.getLatticeU() * (y-y*y);

}

压力的定义

T poiseuillePressure(plintiX, IncomprFlowParamconst& parameters) { T Lx = parameters.getNx()-1;

T Ly = parameters.getNy()-1;

return 8.*parameters.getLatticeNu()*parameters.getLatticeU() / (Ly*Ly) * (Lx/(T)2-(T)iX);

}

密度场的定义

T poiseuilleDensity(plintiX, IncomprFlowParamconst& parameters) {

return poiseuillePressure(iX,parameters)*DESCRIPTOR::invCs2 + (T)1; }

根据坐标进行速度初始化

template

class PoiseuilleVelocity {

public:

PoiseuilleV elocity(IncomprFlowParam parameters_)

: parameters(parameters_)

{ }

void operator()(plintiX, plintiY, Array& u) const {

u[0] = poiseuilleVelocity(iY, parameters);

u[1] = T();

}

private:

IncomprFlowParam parameters;

};

根据坐标进行密度初始化

template

class PoiseuilleDensity {

public:

PoiseuilleDensity(IncomprFlowParam parameters_)

: parameters(parameters_)

{ }

T operator()(plintiX, plintiY) const {

return poiseuilleDensity(iX,parameters);

}

private:

IncomprFlowParam parameters;

};

零速度场初始化

template

class PoiseuilleDensityAndZeroVelocity {

public:

PoiseuilleDensityAndZeroV elocity(IncomprFlowParam parameters_)

: parameters(parameters_)

{ }

void operator()(plintiX, plintiY, T& rho, Array& u) const {

rho = poiseuilleDensity(iX,parameters);

u[0] = T();

u[1] = T();

}

private:

IncomprFlowParam parameters;

};

枚举类型，表示边界类型

enumInletOutletT {pressure, velocity};

建立几何

void channelSetup( MultiBlockLattice2D& lattice,

IncomprFlowParamconst& parameters,

OnLatticeBoundaryCondition2D&boundaryCondition, InletOutletTinletOutlet )

{

constplintnx = parameters.getNx();

constplintny = parameters.getNy();

下边界

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0, nx-1, 0, 0) );

上边界

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0, nx-1, ny-1, ny-1) );

设置相关边界

if (inletOutlet == pressure) {

boundaryCondition.setPressureConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0,0, 1,ny-2) );

boundaryCondition.setPressureConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(nx-1,nx-1, 1,ny-2) );

}

else {

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(0,0, 1,ny-2) );

boundaryCondition.setV elocityConditionOnBlockBoundaries (

lattice, Box2D(nx-1,nx-1, 1,ny-2) );

}

设置常密度和速度，边界的速度和密度同时被施加

setBoundaryDensity (

lattice, lattice.getBoundingBox(),

PoiseuilleDensity(parameters) );

setBoundaryV elocity (

lattice, lattice.getBoundingBox(),

PoiseuilleV elocity(parameters) );

初始化平衡态

initializeAtEquilibrium (

lattice, lattice.getBoundingBox(),

PoiseuilleDensityAndZeroV elocity(parameters) );

初始化模拟系统

lattice.initialize();

}

图片文件保存

void writeGif(MultiBlockLattice2D& lattice, plintiter)

{

constplintimSize = 600;

ImageWriterimageWriter("leeloo");

imageWriter.writeScaledGif(createFileName("u", iter, 6),

*computeVelocityNorm(lattice),

imSize, imSize );

}

VTK 保存

void writeVTK(MultiBlockLattice2D& lattice,

IncomprFlowParamconst& parameters, plintiter)

{

T dx = parameters.getDeltaX();

T dt = parameters.getDeltaT();

VtkImageOutput2DvtkOut(createFileName("vtk", iter, 6), dx);

vtkOut.writeData(*computeVelocityNorm(lattice), "velocityNorm", dx/dt); vtkOut.writeData(*computeVelocity(lattice), "velocity", dx/dt);

}

计算均方根误差

T computeRMSerror ( MultiBlockLattice2D& lattice,

IncomprFlowParamconst& parameters )

{

MultiTensorField2DanalyticalVelocity(lattice);

setToFunction( analyticalVelocity, analyticalVelocity .getBoundingBox(),

PoiseuilleV elocity(parameters) );

MultiTensorField2DnumericalVelocity(lattice);

computeV elocity(lattice, numericalVelocity, lattice.getBoundingBox());

return 1./parameters.getLatticeU() *

std::sqrt( computeAverage( *computeNormSqr(

*subtract(analyticalVelocity , numericalVelocity)

) ) );

}

主函数

int main(intargc, char* argv[]) {

plbInit(&argc, &argv);

global::directories().setOutputDir("./tmp/");

基本参数，Orestis 为我加入了另外的个构造函数，可直接在物理空间中定义这些参数！后续我将给出分析！

IncomprFlowParam parameters(

(T) 2e-2, // uMax

(T) 5., // Re

60, // N

3., // lx

1. // ly

);

const T logT = (T)0.1;

const T imSave = (T)0.5;

const T vtkSave = (T)2.;

const T maxT = (T)15.1;

constInletOutletTinletOutlet = velocity;

写日志文件

writeLogFile(parameters, "Poiseuille flow");

使用MultiBlockLattice

MultiBlockLattice2D lattice (

parameters.getNx(), parameters.getNy(),

设置松弛参数

new BGKdynamics(parameters.getOmega()) );

声明边界

OnLatticeBoundaryCondition2D*

boundaryCondition = createLocalBoundaryCondition2D();

channelSetup(lattice, parameters, *boundaryCondition, inletOutlet);

主循环

for (plintiT=0; iT*parameters.getDeltaT()

if (iT%parameters.nStep(imSave)==0) {

pcout

writeGif(lattice, iT);

}

if (iT%parameters.nStep(vtkSave)==0 &&iT>0) {

pcout

writeVTK(lattice, parameters, iT);

}

if (iT%parameters.nStep(logT)==0) {

pcout

ArrayuCenter;

lattice.get(parameters.getNx()/2,parameters.getNy()/2).computeVelocity(uCenter); pcout

碰撞迁移，此函数不再有bool 类型参数，其不同于Openlb

lattice.collideAndStream();

}

删除边界对象

delete boundaryCondition;

}

由此上面代码可以看出，PalaBos 的结构是非常清晰的，用户在实现过程也异常的简单！

——以上资料出自http://blog.sina.com.cn/s/blog_6a40fba10100znv9.html

Paraview ()

Paraview 是一种开放源代码的，多平台数据分析和可视化软件包，使用Paraview 可以快速的进行数据的定量及定性分析。利用Paraview 既可以在图形化人机交互界面中从事图形图像处理，也可以由控制台通过程序实现数据处理。ParaView 支持海量数据的分布式可视化分析，既可以在笔记本电脑上实现数据分析，也可以在巨型机上数据的并行化分析。 ParaView 是对二维和三维数据进行分析和可视化的程序，它既是一个应用程序框架，也可以直接使用（Turn-Key ）。ParaView 支持并行，可以运行于单处理器的工作站，也可以运行于分布式存储器的大型计算机。ParaView 用C++编写，基于VTK （Visualization ToolKit）开发，图形用户界面用Qt 开发，开源、跨平台。

下图为其操作界面。

详细说明参见文档《ParaView 1.4使用指南》

Salome ()

Salome 是一个为数值计算提供预处理和后处理的开放源代码的通用平台，由众多可再用组件构成，这些组件适用于多种硬件架构。Salome 是一种前后处理的交叉平台解决方案，同样基于GNU GPL 协议，可以从其官方网站下载源代码及可执行文件。

Salome 既可以当作独立的应用软件包，用于数值计算的CAD 建模以及网格划分等前处理工具，以及结果分析的后处理工具。同时Salome 也可以用作集成平台，加入第三方数值模拟程序，构建完整的CAE 系统。


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