MOOSE: 实现大规模并行多物理场仿真（一）

来源于文章 MOOSE: Enabling massively parallel multiphysics simulation

网址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2352711019302973?via%3Dihub

摘要

    利用现代并行计算资源来实现复杂的多物理场模拟是一项艰巨的任务。面向对象的多物理场仿真（或模拟）环境（MOOSE）旨在通过提供简化的规范化的接口来描述多物理场仿真相关的偏微分方程，边界条件，材料特性等，而无需考虑并行，自适应，非线性，有限元求解。

   通过使用接口和继承，模拟中的每个部分都变得可重用和可组合，其方式允许不同的研究小组共享代码，并创建不断增强的生态系统，从而降低创建多物理场模拟代码的屏障。

   MOOSE框架包含了独特的功能：通过同时执行多个子应用程序并在不同尺度之间进行数据传递，来构建多尺度，多物理场模拟。其他功能包括自动微分，大规模并行扩展，混合并行和网格自适应。

   迄今为止，大量基于MOOSE的应用已在科学和工程领域创建，包括核物理，地热科学，磁流体力学，地震，可压缩和不可压缩的流体流动，微观结构演变以及先进的制造工艺。

1.动机和意义

   随着计算能力的提高，科学家正在探索针对涉及多个科学领域的复杂问题的计算解决方案。这些多物理场问题将许多学科联系在一起，并使具有特定知识的合作者参与其中。传统上，多物理场仿真是通过连接由不同研究人员构建的单个仿真工具来实现的，这既耗时，容易出错，又存在难以利用现代并行计算的问题。面向对象的多物理场仿真环境（MOOSE）[1]是专注于开发此类软件的丰富而灵活的开源环境。该框架提供了一个“插件”基础结构，可简化物理场、材料属性、多物理场耦合和后处理的定义。该设计使开发人员可以专注于自己的科学工作，而无需了解现代并行计算的复杂性。另外，统一的问题描述带来最大程度的重用。基于MOOSE的项目可以共享同类功能，而无需额外开发，背后的设计模式是，将社区开发的物理“模块”和所有基于MOOSE的应用程序都作为库，并且可以在LGPL 2.1版许可证下进行链接，从而可以基于现有功能创建大型的应用程序。这一概念为跨开发团队合作构建可无缝组合的强大仿真工具提供了新的可能性。该策略已成为多个学科的范式转变[2]，[3]，[4]，[5]，[6]，[7]，[8]。

   目前已存在其他几种开源有限元（FEM）框架，每个框架都为用户提供了一组不同的权衡和功能。 FEniCS [9]和Firedrake [10]都为有限元（FE）建模提供了紧凑而简洁的抽象，同时利用了PETSc [11]，[12]的行业标准高性能求解器。 MFEM [13]和deal.ii [14]都提供了极大的灵活性，同时使开发人员可以使用这些库的接口来构建完整的C  应用程序。此外，deal.ii包含所有这些项目中最大，最全面的教程集。基于MOOSE的应用程序也可以使用简化的抽象描述内在的方程，同时允许用户使用灵活的扩展。此外，MOOSE包含一整套由社区开发的物理模块，可用于构建复杂的多物理场仿真，而无需重新开发常见的用于描述各种物理现象（传热学、力学、流体力学等）的方程组。最后，MOOSE通过提供：1）多种现成的耦合策略；2）耦合已有应用程序的工具；3）适用于多种耦合策略的一系列结果传递功能，专注于多物理场仿真。这些都将在本文章中进一步讨论。 MOOSE提供了几种独特的功能，将在整体简要介绍之后分别对其进行简要介绍。

未完待续

[1]Gaston D., Newman C., Hansen G., Lebrun-Grandie D.MOOSE: A parallel computational framework for coupled systems of nonlinear equations

Nucl Eng Des, 239 (10) (2009), pp. 1768-1778

[2]Keyes D.E., McInnes L.C., Woodward C., Gropp W., Myra E., Pernice M., et al.Multiphysics simulations: Challenges and opportunities Int J High Perform Comput Appl, 27 (1) (2013), pp. 4-83

[3]Tonks M.R., Gaston D., Millett P.C., Andrs D., Talbot P.An object-oriented finite element framework for multiphysics phase field simulations Comput Mater Sci, 51 (1) (2012), pp. 20-29

[4]Ortensi J., DeHart M.D., Gleicher F.N., Wang Y., Schunert S., Alberti A.L., et al.Full core TREAT kinetics demonstration using Rattlesnake/BISON coupling within MAMMOTH: Technical report

Idaho National Lab.(INL), Idaho Falls, ID (United States) (2015)

[5]Lesueur M., Casadiego M.C., Poulet T., Veveakis M.Framework for multiscale flow simulation of deformable rocks

International workshop on bifurcation and degradation in geomaterials, Springer (2017), pp. 475-480

[6]Nakhmanson S, Mangeri J, Pitike K, Kuna L, Jokisaari A, Alpay S et al. Ferret: an open-source code for simulating thermodynamical evolution and phase transformations in complex materials systems at mesoscale. In: APS march meeting abstracts; 2017.

[7]Gaston D.R., Permann C.J., Peterson J.W., SlaughterA.E., Andrš D., Wang Y., et al.Physics-based multiscale coupling for full core nuclear reactor simulation

Ann Nucl Energy (2014)

[8]Gaston D.R.Parallel, asynchronous ray-tracing for scalable, 3D, full-core method of characteristics neutron transport on unstructured mesh (Ph.D. thesis) Massachusetts Institute of Technology (2019)

[9]Alnæs M.S., Blechta J., Hake J., Johansson A., Kehlet B., Logg A., et al.The fenics project version 1.5

Arch Numer Softw, 3 (100) (2015)

[10]Rathgeber F., Ham D.A., Mitchell L., Lange M., Luporini F., Mcrae A.T.T., et al.Firedrake: Automating the finite element method by composing abstractions

ACM Trans Math Software, 43 (3) (2016), pp. 24:1-24:27

[11]Balay S., Abhyankar S., Adams M.F., Brown J., Brune P., Buschelman K., et al.PETSc users manual: Technical report, ANL-95/11 - Revision 3.11

Argonne National Laboratory (2019)

[12]Balay S., Gropp W.D., McInnes L.C., Smith B.F.Efficient management of parallelism in object oriented numerical software libraries Arge E., Bruaset A.M., Langtangen H.P. (Eds.), Modern software tools in scientific computing, Birkhäuser Press (1997), pp. 163-202

[13]Anderson R., Andrej J., Barker A., Bramwell J., CamierJ.-S., Cerveny J., et al.MFEM: a modular finite element methods library (2019) arXiv preprint arXiv:1911.09220

[14]Bangerth W., Hartmann R., Kanschat G.Deal.II—a general-purpose object-oriented finite element library

ACM Trans Math Softw, 33 (4) (2007), p. 24

来源于： CS guy CSguy