MOOSE (программное обеспечение)
Программное обеспечение для конечно-элементного каркаса
ЛОСЬ
Оригинальный автор(ы)Дерек Гастон
Разработчик(и)Национальная лаборатория Айдахо и участники
Первоначальный выпуск10 июня 2008 г. ; 16 лет назад ( 2008-06-10 )
Операционная системаLinux , Mac OS X , Unix
Доступно вС++
ТипАнализ методом конечных элементов
ЛицензияLGPL
Веб-сайтmooseframework.inl.gov

MOOSE ( Multiphysics Object Oriented Simulation Environment ) — это объектно-ориентированная среда C++ для конечных элементов, предназначенная для разработки тесно связанных мультифизических решателей от Айдахской национальной лаборатории . [1] MOOSE использует пакет нелинейных решателей PETSc и libmesh для обеспечения дискретизации конечных элементов.

Ключевым аспектом дизайна MOOSE является разложение уравнений остатков слабой формы на отдельные члены, каждое из которых представлено вычислительными ядрами. Объединение этих ядер в полные остатки, описывающие решаемую задачу, выполняется во время выполнения. Это позволяет вносить такие изменения, как переключение механизмов и добавление новой физики без перекомпиляции. MOOSE поставляется с обширной библиотекой ядер, предоставляющих остаточные члены для механики твердого тела , уравнений Навье–Стокса , моделей фазового поля и многого другого.

MOOSE использует VTK для визуализации.

Фон

Разработка MOOSE в Национальной лаборатории Айдахо (INL) с мая 2008 года привела к уникальному подходу к вычислительной инженерии, который объединяет компьютерную науку с сильным базовым математическим описанием уникальным способом, который позволяет ученым и инженерам разрабатывать инструменты инженерного моделирования за малую часть времени, необходимого ранее. [2] Сердце MOOSE — это Ядро. Ядро — это «часть» физики . Чтобы добавить новую физику в приложение, созданное с использованием MOOSE, все, что требуется, — это предоставить новое Ядро, описывающее дискретную форму уравнения. Обычно удобно думать о Ядре как о математическом операторе , таком как Лапласиан или конвекционный член в частном дифференциальном уравнении (PDE). Ядра можно менять местами или объединять вместе для достижения различных прикладных целей. Эти Ядра, которых сейчас насчитывается сотни, позволяют ученому или инженеру быстро разрабатывать приложение.

Для нового приложения существующие ядра выбираются как есть или изменяются по мере необходимости и «подключаются». Уравнение адвекции - диффузии - реакции имеет одну и ту же математическую форму независимо от того, для какого приложения оно используется. Обычно необходимо определить только форму коэффициентов или зависимости от другой физики; редко требуется создавать полные ядра с нуля. С MOOSE от ученого или инженера ( разработчика приложения ) требуется только разработка ядра. MOOSE разработан для выполнения всего остального для разработчика приложения, например, конечно-элементной дискретизации уравнений в частных производных, нелинейного решателя и параллельных высокопроизводительных вычислений .

Идея называть приложения на основе MOOSE в честь видов коренных животных Айдахо в общих чертах основана на подходе Национальной лаборатории Лос-Аламоса 1970-х – 1990-х годов к наименованию их кодов в честь индейских племен и артефактов, таких как APACHE, CONCHAS и серии кодов KIVA . В настоящее время существует более двадцати животных-приложений на основе MOOSE на разных стадиях разработки, начиная от недавних предварительных результатов до признанных на национальном уровне в качестве передовых усилий (таких как BISON и MARMOT для моделирования и имитации характеристик топлива).

Описание

Моделирование MOOSE / BISON: Часть топливной таблетки откололась (в центре слева) из-за производственного дефекта или повреждения, полученного во время транспортировки. Поврежденная поверхность таблетки вызывает состояние высокого напряжения в прилегающей оболочке. В результате таблетки нагреваются и уплотняются, прежде чем снова разбухнуть из-за продуктов деления, накапливающихся внутри них, что еще больше напрягает окружающую топливную оболочку.

MOOSE — это среда разработки и выполнения для решения мультифизических систем, включающих несколько физических моделей или несколько одновременных физических явлений. Системы обычно представляются (моделируются) как система полностью связанных нелинейных систем уравнений в частных производных (примером мультифизической системы является эффект тепловой обратной связи на нейтронных сечениях , где сечения являются функцией теплопередачи ) . Внутри MOOSE метод Jacobian-Free Newton Krylov (JFNK) реализован как параллельный нелинейный решатель, который естественным образом поддерживает эффективную связь между системами уравнений физики (или ядрами). [3] Физические ядра разработаны для внесения вклада в нелинейную невязку, которая затем минимизируется внутри MOOSE. MOOSE предоставляет полный набор возможностей поддержки конечных элементов (libMesh) и обеспечивает адаптацию сетки и параллельное выполнение . Фреймворк активно использует библиотеки программного обеспечения Министерства энергетики (DOE) и Национального управления по ядерной безопасности (NNSA), такие как возможности нелинейного решателя в проекте Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computing ( PETSc ) или проекте Trilinos .

ELK (Расширенная библиотека ядер)

ELK — это библиотека для общих ядер, граничных условий и базовых классов материалов. [4]

YAK (еще одно ядро)

YAK — это библиотека общих действий, ядер, граничных условий и базовых классов материалов для приложений переноса излучения. В настоящее время YAK связана с RattleSnake (многогрупповой транспорт излучения Sn), Pronghorn (многогрупповая диффузия) и Critter (многомасштабная температурная обратная связь).

Приложения

БИЗОН

BISON был первым приложением на основе MOOSE «животное» и представляет собой код производительности ядерного топлива на основе конечных элементов, применимый к различным формам топлива, включая топливные стержни легководных реакторов , частицы топлива TRISO и металлическое стержневое и пластинчатое топливо. [5] [6] [7] Он решает полностью связанные уравнения термомеханики и диффузии видов и включает в себя важную физику топлива, такую ​​как выделение газообразных продуктов деления и ухудшение свойств материала с выгоранием. BISON основан на структуре MOOSE [8] и поэтому может эффективно решать задачи как на двумерной осесимметричной , так и на трехмерной геометрии с использованием стандартных рабочих станций или больших высокопроизводительных компьютеров . Реализованы модели пластичности , роста под действием облучения, а также термической и радиационной ползучести для материалов с оболочкой. Также доступны модели для моделирования теплопередачи зазора, механического контакта и эволюции давления зазора/ камеры с объемом камеры, температурой газа и добавлением газообразных продуктов деления. BISON также связан с возможностью моделирования свойств материала мезомасштабного фазового поля на основе MOOSE . [9] [10]

СУРОК

MARMOT — это код фазового поля на основе конечных элементов для моделирования эволюции микроструктуры , вызванной облучением . MARMOT предсказывает влияние радиационного повреждения на эволюцию микроструктуры, включая зарождение и рост пустот, рост пузырьков, миграцию границ зерен , а также диффузию и сегрегацию газа. Уравнения фазового поля можно объединить с теплопроводностью и механикой твердого тела из ELK для учета влияния градиентов температуры и напряжения на эволюцию. Кроме того, MARMOT рассчитывает влияние эволюции микроструктуры на различные свойства объемного материала, включая теплопроводность и пористость . После расчета объемных свойств их можно передать в BISON для моделирования характеристик топлива. Эта связь между MARMOT и BISON была достигнута в гибридном коде BARMOT. [11] [12] [13]

СОКОЛ

FALCON разрабатывается для моделирования тесно связанного поведения жидкости и породы в гидротермальных и инженерных геотермальных системах (EGS) резервуарах , нацеливаясь на динамику стимуляции трещин, потока жидкости, деформации породы и переноса тепла в едином интегрированном коде, с конечной целью предоставить инструмент, который может быть использован для проверки жизнеспособности EGS в Соединенных Штатах и ​​во всем мире. [14] [15] [16] Надежные прогнозы производительности резервуара систем EGS требуют точного и надежного моделирования для связанных термо-гидрологических-механических процессов. Традиционно, эти типы задач решаются с использованием методов разделения оператора , как правило, путем объединения симулятора подземного потока и переноса тепла с симулятором механики твердого тела через входные файлы. [17] [18] [19] [20] FALCON устраняет необходимость использования методов разделения операторов для моделирования этих систем, а масштабируемость поддерживаемых MOOSE приложений позволяет моделировать эти тесно связанные процессы в масштабе резервуара, что позволяет исследовать систему в целом (то, чего обычно не могут сделать методологии разделения операторов). [21] [22]

КРЫСА

ReActive Transport (RAT) был разработан для решения проблем реактивного транспорта в подземных пористых средах , которые включают в себя высоко нелинейно связанные физические процессы потока жидкости , переноса растворенных веществ , биогеохимических реакций и взаимодействия среды с раствором. Эти проблемы распространены в различных подземных инженерных системах, таких как инженерная экологическая ремедиация , улучшенные геотермальные системы и геологическое связывание углекислого газа. В настоящее время физика, которая может быть связана в RAT, включает: однофазный поток жидкости в пористой среде, адвекцию , дисперсионный и диффузионный транспорт, водную кинетическую реакцию, водную равновесную реакцию, кинетическую реакцию осаждения/растворения минералов и соотношение пористости и проницаемости Кармена-Козени. [23] [24]

Это программное обеспечение не следует путать с Reactor Analysis Tool [25] (RAT), представляющим собой набор инструментов на основе ROOT [26] и GEANT4 [27] для микрофизического моделирования сцинтилляционных детекторов, используемых в экспериментах с нейтрино и темной материей, включая Braidwood, SNO+ и DEAP-3600.

РЕЛАП-7

RELAP-7 — это инструмент следующего поколения в серии приложений анализа безопасности/систем RELAP , основанный на среде разработки и выполнения MOOSE . [28] [29] RELAP-7 сохранит и улучшит базовые аналитические возможности RELAP5. Четыре основных улучшения: 1) хорошо поставленная модель двухфазного потока из семи уравнений (жидкость, газ и давление на границе раздела) по сравнению с устаревшей некорректной моделью потока из шести уравнений (скорость звука нефизической смеси), найденной в RELAP5; 2) улучшенные численные аппроксимации, приводящие к точности второго порядка как в пространстве, так и во времени по сравнению с аппроксимациями первого порядка в RELAP5; 3) неявная тесно связанная временная интеграция для длительных переходных процессов, таких как обеспечение поведения установки для оценок полного жизненного цикла топлива ; и 4) возможность легкого сопряжения с многомерными симуляторами сердечника, разрабатываемыми в других программах (NEAMS, CASL, ATR LEP). [30] [31] [32]

Вилорог

Pronghorn изначально был разработан для моделирования концепции VHTR с газовым охлаждением и шаровым дном . Текущие возможности Pronghorn включают переходный и стационарный связанный поток пористой жидкости и теплопроводность твердого тела со стандартной многогрупповой моделью диффузии (т. е. фиксированный источник, критичность и зависящая от времени). [33] Недавно добавленные возможности включают нелинейную схему ускорения для проблем критичности и простую модель тепловой жидкости для концепции призматического реактора. Будущие возможности будут включать более продвинутый тип модели многофазного потока (для изучения эффектов теплового пограничного слоя) и модель переноса излучения. Физика может быть решена в трехмерном декартовом (x, y, z) или цилиндрическом ( r, q, z ) пространстве с моделями предшественника и адиабатической тепловой обратной связи. Этот код был проверен на основе эталонной задачи PBMR400. С помощью Pronghorn были проведены моделирования выброса стержней для тепловых жидкостей/нейтроники как для реакторов с шаровым затвором, так и для призматических газоохлаждаемых реакторов, а также для простых эталонных задач для легководных реакторов, связанных с тепловыми нейтрониками. [34] [35]

Функции

  • Полностью связанный, полностью неявный мультифизический решатель
  • Физика, не зависящая от измерений
  • Автоматически параллелизуется (крупнейшие запуски >100 000 ядер ЦП)
  • Модульная разработка упрощает повторное использование кода
  • Встроенная адаптивность сетки
  • Непрерывный и прерывистый Галеркин (DG) (одновременно)
  • Автоматическое дифференцирование в прямом режиме для вычисления матрицы Якоби
  • Интуитивно понятные параллельные многомасштабные решения (см. видео ниже)
  • Независимый от размеров, параллельный геометрический поиск (для приложений, связанных с контактами)
  • Гибкий, подключаемый графический пользовательский интерфейс
  • ~30 подключаемых интерфейсов позволяют специализировать каждую часть решения

Примечания

  1. ^ "MOOSE Framework - Open Source Multiphysics". Айдахская национальная лаборатория . Получено 28.03.2013 .
  2. ^ [1] [ мертвая ссылка ]
  3. ^ "Архивная копия" (PDF) . www.global-sci.com . Архивировано из оригинала (PDF) 19 марта 2013 г. . Получено 17 января 2022 г. .{{cite web}}: CS1 maint: архивная копия как заголовок ( ссылка )
  4. ^ "Инструкции MOOSE - EVOWiki". Icme.hpc.msstate.edu. 2012-04-17. Архивировано из оригинала 2016-03-05 . Получено 2012-12-11 .
  5. ^ Williamson, RL; Hales, JD; Novascone, SR; Tonks, MR; Gaston, DR; Permann, CJ; Andrs, D.; Martineau, RC (2012-01-19). "Journal of Nuclear Materials - Многомерное мультифизическое моделирование поведения ядерного топлива". Journal of Nuclear Materials . 423 (1–3): 149–163. Bibcode :2012JNuM..423..149W. doi :10.1016/j.jnucmat.2012.01.012.
  6. ^ [2] [ мертвая ссылка ]
  7. ^ Ньюман, Крис; Хансен, Глен; Гастон, Дерек (2009). «Журнал ядерных материалов — Трехмерное сопряженное моделирование термомеханики, тепла и диффузии кислорода в ядерных топливных стержнях UO2». Журнал ядерных материалов . 392 : 6–15. doi :10.1016/j.jnucmat.2009.03.035.
  8. ^ Гастон, Дерек; Ньюман, Крис; Хансен, Глен; Лебрен-Грандье, Дэмиен (2009-07-19). "Ядерная инженерия и проектирование - MOOSE: параллельная вычислительная структура для связанных систем нелинейных уравнений" (PDF) . Ядерная инженерия и проектирование . 239 (10): 1768–1778. doi :10.1016/j.nucengdes.2009.05.021.
  9. ^ Тонкс, Майкл Р.; Гастон, Дерек; Миллетт, Пол К.; Андрес, Дэвид; Талбот, Пол (28.08.2011). «Вычислительное материаловедение — объектно-ориентированная конечно-элементная структура для моделирования многофизических фазовых полей». Вычислительное материаловедение . 51 : 20–29. doi : 10.1016/j.commatsci.2011.07.028 .
  10. ^ Тонкс, Майкл; Гастон, Дерек; Перманн, Коди; Миллетт, Пол; Хансен, Глен; Вольф, Дитер (2010-07-03). «Ядерная инженерия и проектирование — методология сопряжения для кодов производительности ядерного топлива с учетом мезомасштабных данных». Ядерная инженерия и проектирование . 240 (10): 2877–2883. doi :10.1016/j.nucengdes.2010.06.005.
  11. ^ Tonks, MR; Gaston, D; Millett, PC; Andrs, D; Talbot, P (2012). «Объектно-ориентированная конечно-элементная структура для моделирования многофизических фазовых полей». Computational Materials Science . 51 : 20–29. doi : 10.1016/j.commatsci.2011.07.028 .
  12. ^ K Chockalingam, MR Tonks, JD Hales, DR Gaston, PC Millett, L Zhang. 2012. Пластичность кристаллов с якобиан-свободным Ньютоном–Крыловым. Computational Mechanics 0178-7675:1–10.
  13. ^ Чжан, Л.; Тонкс, М.Р.; Миллетт, П.К.; Чжан, И.; Чокалингам, К.; Бинер, Б. (2012). «Моделирование фазового поля миграции пор, вызванной градиентом температуры, в сочетании с теплопроводностью». Computational Materials Science . 56 : 161–165. doi :10.1016/j.commatsci.2012.01.002.
  14. ^ "ESTSC - Найдите последние новости о программном обеспечении Министерства энергетики США". Osti.gov. Архивировано из оригинала 2015-10-22 . Получено 2012-12-11 .
  15. ^ Подгорни, Р. К., Х. Хуан и Д. Гастон, 2010, Массовое параллельное полностью связанное моделирование связанных термогидромеханических процессов для усовершенствованных геотермальных системных резервуаров, 35-й Стэнфордский геотермальный семинар, Стэнфорд, Калифорния, февраль 2010 г.
  16. ^ Гастон, Д., Л. Го, Х. Хуан, Р. Джонсон, Х. Парк, Р. Подгорни, М. Тонкс и Р. Уильямсон. 2010. Параллельные алгоритмы и программное обеспечение для ядерных, энергетических и экологических приложений. Часть I: Мультифизические алгоритмы, коммуникации в вычислительной физике.
  17. ^ Гастон, Д., Л. Го, Х. Хуан, Р. Джонсон, Х. Парк, Р. Подгорни, М. Тонкс и Р. Уильямсон. 2010. Параллельные алгоритмы и программное обеспечение для ядерных, энергетических и экологических приложений. Часть II: Мультифизическое программное обеспечение, коммуникации в вычислительной физике.
  18. ^ Podgorney, RK, G. Gunnarsson и H. Huang, 2011, Численное моделирование поведения обратной закачки жидкости в зависимости от температуры, геотермальное поле Hellisheidi, юго-западная Исландия, 35-е ежегодное заседание Совета по геотермальным ресурсам, Сан-Диего, Калифорния, 23–26 октября 2011 г.
  19. ^ Хуан, Х., П. Микин, Подгорни, Р. К., С. Дэн и К. Лу. 2011, Физическое моделирование развития трещиноватости и проницаемости в инженерных геотермальных системах, 35-е ежегодное заседание Совета по геотермальным ресурсам, Сан-Диего, Калифорния, 23–26 октября 2011 г.
  20. ^ Подгорни, Р. К., С. Лу и Х. Хуан. 2012, Термогидромеханическое моделирование закачки рабочей жидкости и извлечения тепловой энергии в трещинах EGS и скелете горной породы, 37-й Стэнфордский геотермальный семинар, Стэнфорд, Калифорния, февраль 2012 г.
  21. ^ Podgorney, RK, H. Huang и D. Gaston, 2010, FALCON: Гибридная модель на основе физики конечных элементов и дискретных элементов для одновременного решения полностью связанных многофазных потоков жидкости, переноса тепла, деформации горных пород и трещин, 34-е ежегодное заседание Совета по геотермальным ресурсам, Сакраменто, Калифорния, 24–27 октября 2010 г.
  22. ^ Подгорни, Р. К., Х. Хуан и Д. Гастон, 2010, Физическое моделирование для связанных термогидромеханических проблем в геологических средах: применение для усовершенствованной геотермальной системы, Ежегодное собрание Геологического общества Америки, Денвер, штат Колорадо, 31 октября - 3 ноября 2010 г.
  23. ^ [3] [ мертвая ссылка ]
  24. ^ Го, Л.; Хуан, Х.; Гастон, Д.; Редден, ГД; Фокс, ДТ; Фудзита, И. (2010). «Моделирование реактивного транспорта фронтов реакции индуцированного осаждения кальцита». Тезисы осеннего заседания AGU . 2010. Adsabs.harvard.edu. Bibcode : 2010AGUFM.H51C0911G.
  25. ^ «Обзор — Документация RAT 1.0». rat.readthedocs.io .
  26. ^ "ROOT a Data Analysis Framework | ROOT a Data Analysis Framework". root.cern.ch .
  27. ^ "Обзор | geant4.web.cern.ch". geant4.web.cern.ch .
  28. ^ "NEAMS Update" (PDF) . Ipd.anl.gov . Апрель 2012. Архивировано из оригинала (PDF) 24-12-2016 . Получено 27-09-2016 .
  29. ^ [4] [ мертвая ссылка ]
  30. ^ "NEAMS Update" (PDF) . Ipd.anl.gov . Январь 2012. Архивировано из оригинала (PDF) 2016-12-25 . Получено 2016-09-27 .
  31. ^ [5] [ мертвая ссылка ]
  32. ^ "Microsoft Word - Демонстрация проблемы устойчивого состояния PWR с RELAP7 r3.docx" (PDF) . Inl.gov . Получено 27.09.2016 .
  33. ^ [6] [ мертвая ссылка ]
  34. ^ H. Park, D. Gaston, S. Kadiouglu, D. Knoll, D. Lebrun-Grandie, R. Martineau и W. Taitano, «Тесно связанное мультифизическое моделирование для реакторов с шаровыми твэлами», Международная конференция Американского ядерного общества 2009 года по достижениям в области математики, вычислительных методов и физики реакторов, Саратога-Спрингс, штат Нью-Йорк, 3–7 мая 2009 г.
  35. ^ [7] [ мертвая ссылка ]

Ссылки

  • Тонкс, М.; Гастон, Д.; Миллетт, П.; Андрес, Д.; Талбот, П. (2012). «Объектно-ориентированная конечно-элементная структура для моделирования многофизических фазовых полей». Comp. Mat. Sci . 51 (1): 20–29. doi : 10.1016/j.commatsci.2011.07.028 .
  • Williamson, R.; Hales, J.; Novascone, S.; Tonks, M.; Gaston, D.; Permann, C.; Andrs, D.; Martineau, R. (2012). «Многомерное мультифизическое моделирование поведения ядерного топлива». Journal of Nuclear Materials . 423 (149–163): 2012. Bibcode :2012JNuM..423..149W. doi :10.1016/j.jnucmat.2012.01.012.
  • L. Guo, H. Huang, D. Gaston и G. Redden. «Моделирование осаждения кальцита, вызванного бактериальным гидролизом мочевины в проточной колонне с использованием полностью связанного, полностью неявного параллельного реактивного транспортного симулятора». В Eos Transactions American Geophysical Union, 90(52), Fall Meeting Supplement, AGU 90(52), Сан-Франциско, Калифорния, 14-18 декабря 2009 г.
  • R. Podgorney; H. Huang; D. Gaston (1–3 февраля 2010 г.). Массовое параллельное полностью связанное неявное моделирование связанных термогидрологическо-механических процессов для резервуаров улучшенной геотермальной системы. 35-й Стэнфордский геотермальный семинар . Стэнфордский университет, Пало-Альто, Калифорния. OSTI  974761. Архивировано из оригинала 2021-03-06 . Получено 2019-03-16 .
  • Park, H.; Knoll, DA; Gaston, DR; Martineau, RC (2010). «Тесно связанные мультифизические алгоритмы для реакторов с шаровыми твэлами». Ядерная наука и инженерия . 166 (2): 118–133. Bibcode : 2010NSE...166..118P. doi : 10.13182/NSE09-104. S2CID  122179997.
  • Домашняя страница MOOSE
  • Офис внедрения технологий Национальной лаборатории Айдахо
  • лось на GitHub
  • Публикации MOOSE — список публикаций по фреймворку MOOSE.
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=MOOSE_(программное обеспечение)&oldid=1217770920"