OpenCMP——开源多物理场高性能计算包

 

计算多物理为直接实验提供了一种安全、廉价、快速的替代方案，但其广泛使用仍存在障碍。

其中一个障碍是生成模拟域的保角网格，这是多物理模拟中使用的空间离散化的主要方法。这些网格的生成是耗时的、不确定的，并且通常需要手动用户干预。对于复杂的域几何，域一致网格单元、域内的单元和网格质量以及模拟稳定性之间也存在竞争。

第二个障碍是缺乏对基于有限元方法的计算多物理软件的简单访问，这使得高阶空间离散化成为可能，但代价是实现的复杂性。大多数计算多物理软件都是基于有限体积法，该方法固有地涉及低阶空间离散化。这需要相对高密度的网格单元以获得足够的数值精度，但实现起来相对简单。然而，较高的网格密度对应于较小的单元尺度，导致对流主导模拟的稳定性问题。确实存在基于有限元方法的计算多物理软件包，然而，这些软件包要么是封闭源代码的，要么需要在包括连续体力学、应用数学和计算科学在内的广泛领域拥有广泛的用户技能。

本文介绍了一个新的开源计算多物理包OpenCMP。OpenCMP实现了扩散界面方法，即使是复杂的几何形状也可以与不一致的结构化网格进行网格划分，从而提高了模拟的稳定性，有时甚至提高了速度。OpenCMP建立在流行的有限元库NGSolve上，为运行标准模型提供了简单的用户界面，也为有经验的用户提供了轻松添加新模型的能力。它已经在常见的基准问题上得到了验证，并用于将扩散界面方法扩展到具有移动域的模拟中。

 

 

 

OpenCMP开发的起点是有限元求解器库的选择。从头开始编写有限元方法的实现被认为是不可能的；这将是一个非常耗时的过程，并且最终结果将不如现有的库。另一方面，使用现有的库作为OpenCMP的后端，可以集中精力实现多物理模型，开发用户界面和通用仿真框架。现有的有限元求解器库也已经针对性能进行了优化，并针对效率和准确性进行了验证。因此，OpenCMP建立在开源的NGSolve有限元库之上。

NGSolve的一个主要优点是它的Python包装器和有限元弱形式的符号表示。显著提高了代码的可读性。具有可读代码也有助于有经验的用户修改OpenCMP模型或添加自己的模型。NGSolve可用于所有标准操作系统，并且具有最小的依赖性，允许OpenCMP具有相同的依赖性。它与Netgen网格划分软件和图形界面集成，未来可以允许OpenCMP添加网格生成和结果可视化功能。与其他有限元求解器库相比，NGSolve还提供了一些性能优势。它实现了一组广泛的有限元空间，包括流体动力学、结构力学、电磁学和声学，因此适用于真正的多物理模拟。NGSolve在现有的有限元库中对不连续伽辽金方法有最强的支持。它还提供各种最先进的解算器和预处理器，包括SciPy和PETSc解算器的接口。最后，NGSolve本质上是多线程运行的，如果使用MPI支持进行编译，则可以在多个节点上并行运行。