CoreFlows/Models/inc/StationaryDiffusionEquation.hxx

   1 //============================================================================
   2 /**
   3  * \file StationaryDiffusionEquation.hxx
   4  * \author Michael NDJINGA
   5  * \version 1.0
   6  * \date June 2019
   7  * \brief Stationary heat diffusion equation solved with either finite elements or finite volume method.
   8  * -\lambda\Delta T=\Phi + \lambda_{sf} (T_{fluid}-T)
   9  * Dirichlet (imposed temperature) or Neumann (imposed normal flux) boundary conditions
  10  * */
  11 //============================================================================
  12
  13 /*! \class StationaryDiffusionEquation StationaryDiffusionEquation.hxx "StationaryDiffusionEquation.hxx"
  14  *  \brief Scalar stationary heat equation solved with either finite elements or finite volume method.
  15  *  \details see \ref StationaryDiffusionEqPage for more details
  16  * -\lambda\Delta T=\Phi(T) + \lambda_{sf} (T_{fluid}-T)
  17  */
  18 #ifndef StationaryDiffusionEquation_HXX_
  19 #define StationaryDiffusionEquation_HXX_
  20
  21 #include "ProblemCoreFlows.hxx"
  22
  23 /* for the laplacian spectrum */
  24 #include <slepceps.h>
  25 #include <slepcsvd.h>
  26
  27 using namespace std;
  28
  29 //! enumeration BoundaryType
  30 /*! Boundary condition type  */
  31 enum BoundaryTypeStationaryDiffusion    { NeumannStationaryDiffusion, DirichletStationaryDiffusion, NoneBCStationaryDiffusion};
  32
  33 /** \struct LimitField
  34  * \brief value of some fields on the boundary  */
  35 struct LimitFieldStationaryDiffusion{
  36         LimitFieldStationaryDiffusion(){bcType=NoneBCStationaryDiffusion; T=0; normalFlux=0;}
  37         LimitFieldStationaryDiffusion(BoundaryTypeStationaryDiffusion _bcType, double _T,       double _normalFlux){
  38                 bcType=_bcType; T=_T; normalFlux=_normalFlux;
  39         }
  40
  41         BoundaryTypeStationaryDiffusion bcType;
  42         double T; //for Dirichlet
  43         double normalFlux; //for Neumann
  44 };
  45
  46 class StationaryDiffusionEquation
  47 {
  48
  49 public :
  50         /** \fn StationaryDiffusionEquation
  51                          * \brief Constructor for the temperature diffusion in a solid
  52                          * \param [in] int : space dimension
  53                          * \param [in] double : solid conductivity
  54                          *  */
  55
  56         StationaryDiffusionEquation( int dim,bool FECalculation=true,double lambda=1);
  57
  58     void setMesh(const Mesh &M);
  59     void setFileName(string fileName){
  60         _fileName = fileName;
  61     }
  62     bool solveStationaryProblem();
  63     Field getOutputTemperatureField();
  64
  65     //Linear system and spectrum
  66     void setLinearSolver(linearSolver kspType, preconditioner pcType);
  67     double getConditionNumber(bool isSingular=false, double tol=1e-6) const;
  68     std::vector< double > getEigenvalues (int nev, EPSWhich which=EPS_SMALLEST_MAGNITUDE, double tol=1e-6) const;
  69     std::vector< Vector > getEigenvectors(int nev, EPSWhich which=EPS_SMALLEST_MAGNITUDE, double tol=1e-6) const;
  70     Field getEigenvectorsField(int nev, EPSWhich which=EPS_SMALLEST_MAGNITUDE, double tol=1e-6) const;
  71
  72         //Gestion du calcul
  73         void initialize();
  74         void terminate();//vide la mémoire et enregistre le résultat final
  75         double computeDiffusionMatrix(bool & stop);
  76     double computeTimeStep(bool & stop);//For coupling calculations
  77         bool iterateNewtonStep(bool &ok);
  78         void save();
  79
  80     /* Boundary conditions */
  81         void setBoundaryFields(map<string, LimitFieldStationaryDiffusion> boundaryFields){
  82                 _limitField = boundaryFields;
  83     };
  84         /** \fn setDirichletBoundaryCondition
  85                          * \brief adds a new boundary condition of type Dirichlet
  86                          * \details
  87                          * \param [in] string : the name of the boundary
  88                          * \param [in] double : the value of the temperature at the boundary
  89                          * \param [out] void
  90                          *  */
  91         void setDirichletBoundaryCondition(string groupName,double Temperature){
  92                 _limitField[groupName]=LimitFieldStationaryDiffusion(DirichletStationaryDiffusion,Temperature,-1);
  93         };
  94
  95         /** \fn setNeumannBoundaryCondition
  96                          * \brief adds a new boundary condition of type Neumann
  97                          * \details
  98                          * \param [in] string : the name of the boundary
  99                          * \param [out] void
 100                          *  */
 101         void setNeumannBoundaryCondition(string groupName, double normalFlux=0){
 102                 _limitField[groupName]=LimitFieldStationaryDiffusion(NeumannStationaryDiffusion,-1, normalFlux);
 103         };
 104
 105         void setDirichletValues(map< int, double> dirichletBoundaryValues);
 106         void setNeumannValues  (map< int, double>   neumannBoundaryValues);
 107
 108         void setConductivity(double conductivite){
 109                 _conductivity=conductivite;
 110         };
 111         void setFluidTemperatureField(Field coupledTemperatureField){
 112                 _fluidTemperatureField=coupledTemperatureField;
 113                 _fluidTemperatureFieldSet=true;
 114         };
 115         void setFluidTemperature(double fluidTemperature){
 116         _fluidTemperature=fluidTemperature;
 117         }
 118         Field& getRodTemperatureField(){
 119                 return _VV;
 120         }
 121         Field& getFluidTemperatureField(){
 122                 return _fluidTemperatureField;
 123         }
 124         void setDiffusiontensor(Matrix DiffusionTensor){
 125                 _DiffusionTensor=DiffusionTensor;
 126         };
 127
 128         /** \fn setHeatPowerField
 129          * \brief set the heat power field (variable in space)
 130          * \details
 131          * \param [in] Field
 132          * \param [out] void
 133          *  */
 134         void setHeatPowerField(Field heatPower){
 135                 _heatPowerField=heatPower;
 136                 _heatPowerFieldSet=true;
 137         }
 138
 139         /** \fn setHeatPowerField
 140          * \brief set the heat power field (variable in space)
 141          * \details
 142          * \param [in] string fileName (including file path)
 143          * \param [in] string fieldName
 144          * \param [out] void
 145          *  */
 146         void setHeatPowerField(string fileName, string fieldName){
 147                 _heatPowerField=Field(fileName, CELLS,fieldName);
 148                 _heatPowerFieldSet=true;
 149         }
 150
 151 protected :
 152         //Main unknown field
 153         Field _VV;
 154
 155         int _Ndim;//space dimension
 156         int _nVar;//Number of equations to solve=1
 157
 158     //Mesh data
 159         Mesh _mesh;
 160     bool _meshSet;
 161         bool _initializedMemory;
 162         int _Nmailles;//number of cells for FV calculation
 163         int _neibMaxNbCells;//maximum number of cells around a cell
 164
 165         double _precision;
 166         double _precision_Newton;
 167         double _erreur_rel;//norme(Uk+1-Uk)
 168     bool _computationCompletedSuccessfully;
 169
 170         //Linear solver and petsc
 171         KSP _ksp;
 172         KSPType _ksptype;
 173         PC _pc;
 174         PCType _pctype;
 175         string _pc_hypre;
 176         int _maxPetscIts;//nombre maximum d'iteration gmres autorisé au cours d'une resolution de système lineaire
 177         int _maxNewtonIts;//nombre maximum d'iteration de Newton autorise au cours de la resolution d'un pas de temps
 178         int _PetscIts;//the number of iterations of the linear solver
 179         int _NEWTON_its;
 180         Mat  _A;//Linear system matrix
 181         Vec _b;//Linear system right hand side
 182         double _MaxIterLinearSolver;//nombre maximum d'iteration gmres obtenu au cours par les resolution de systemes lineaires au cours d'un pas de tmeps
 183         bool _conditionNumber;//computes an estimate of the condition number
 184
 185         map<string, LimitFieldStationaryDiffusion> _limitField;
 186     bool _onlyNeumannBC;//if true then the linear system is singular and should be solved up to a constant vector
 187
 188         bool _diffusionMatrixSet;
 189         Vector _normale;
 190         Matrix _DiffusionTensor;
 191         Vec _deltaT, _Tk, _Tkm1, _b0;
 192         double _dt_src;
 193
 194         //Heat transfert variables
 195         double _conductivity, _fluidTemperature;
 196         Field _heatPowerField, _fluidTemperatureField;
 197         bool _heatPowerFieldSet, _fluidTemperatureFieldSet;
 198         double _heatTransfertCoeff, _heatSource;
 199
 200         //Display variables
 201         bool _verbose, _system;
 202         ofstream * _runLogFile;//for creation of a log file to save the history of the simulation
 203     //saving parameters
 204         string _fileName;//name of the calculation
 205         string _path;//path to execution directory used for saving results
 206         saveFormat _saveFormat;//file saving format : MED, VTK or CSV
 207
 208         double computeRHS(bool & stop);
 209         double computeDiffusionMatrixFV(bool & stop);
 210
 211     /************ Data for FE calculation *************/
 212     bool _FECalculation;
 213         int _Nnodes;/* number of nodes for FE calculation */
 214         int _neibMaxNbNodes;/* maximum number of nodes around a node */
 215         int _NunknownNodes;/* number of unknown nodes for FE calculation */
 216         int _NboundaryNodes;/* total number of boundary nodes */
 217         int _NdirichletNodes;/* number of boundary nodes with Dirichlet BC for FE calculation */
 218     std::vector< int > _boundaryNodeIds;/* List of boundary nodes */
 219     std::vector< int > _dirichletNodeIds;/* List of boundary nodes with Dirichlet BC */
 220
 221     /*********** Functions for finite element method ***********/
 222     Vector gradientNodal(Matrix M, vector< double > v);//gradient of nodal shape functions
 223         double computeDiffusionMatrixFE(bool & stop);
 224     int fact(int n);
 225     int unknownNodeIndex(int globalIndex, std::vector< int > dirichletNodes) const;
 226     int globalNodeIndex(int unknownIndex, std::vector< int > dirichletNodes) const;
 227
 228     /********* Possibility to set a boundary field as DirichletNeumann boundary condition *********/
 229     bool _dirichletValuesSet;
 230     bool _neumannValuesSet;
 231     std::map< int, double> _dirichletBoundaryValues;
 232     std::map< int, double> _neumannBoundaryValues;
 233 };
 234
 235 #endif /* StationaryDiffusionEquation_HXX_ */