Opensourceの有限要素法ベースのCFDソルバーであるFEniCSを使ってみようと思い最近触り始めました.
fenicsproject.org
WSLとanacondaを用いてFEniCSのインストールを行いました.
開発環境はWSL+anaconda+jupyter notebookです.
↓インストールの詳細に関しては以下の記事を参照しました.
qiita.com
今回は有名なカルマン渦列のシミュレーションを行います.
↓カルマン渦列です(日本機械学会より引用https://www.jsme.or.jp/jsme-medwiki/09:1002355).
チュートリアルでカルマン渦列のシミュレーションをしようとしたのですがエラーが多く思うように動作しません.
↓参考にしたチュートリアルの記事
fenicsproject.org
記事中ではFenicsの内部関数で形状・メッシュの作成を行っていましたが,以下のようなエラーが出て動きませんでした.
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ImportError Traceback (most recent call last)
/tmp/ipykernel_9077/1743617236.py in <module>
----> 1 import mshr
~/anaconda3/lib/python3.8/site-packages/mshr/__init__.py in <module>
22 import dolfin
23
---> 24 from .cpp import Circle
25 from .cpp import Ellipse
26 from .cpp import Rectangle
ImportError: generic_type: type "CSGGeometry" referenced unknown base type "dolfin::Variable"
↓FEniCS projectのオープンスラックで質問したところ以下のような回答が得られました.
どうやら,FEniCS内部で形状とメッシュを作成するmshrは非推奨となっているようです.外部のメッシャーで構築したメッシュをFEniCS内部に読み込むということでしょうか.
今回は面倒だったのでカルマン渦用のメッシュをgithubから拾ってきました.このリポジトリ内のdolfin/data/meshes/内のcylinder.xml.gzを使用します.
github.com
↓動作を確認したコードを以下に貼っておきます.
from dolfin import *
parameters["std_out_all_processes"] = False;
T = 5.0
num_steps = 5000
dt = T / num_steps
mu = 0.001
rho = 1
mesh = Mesh("cylinder.xml.gz")
V = VectorFunctionSpace(mesh, "Lagrange", 2)
Q = FunctionSpace(mesh, "Lagrange", 1)
inflow = 'near(x[0], 0.0)'
outflow = 'near(x[0], 2.4)'
walls = 'x[1]<0.0 || near(x[1], 0.4)'
cylinder = 'on_boundary && x[0]>0.1 && x[0]<0.3 && x[1]>0.1 && x[1]<0.3'
inflow_profile = ('4.0*1.5*x[1]*(0.41 - x[1]) / pow(0.41, 2)', '0')
bcu_inflow = DirichletBC(V, Expression(inflow_profile, degree=2), inflow)
bcu_walls = DirichletBC(V, Constant((0, 0)), walls)
bcu_cylinder = DirichletBC(V, Constant((0, 0)), cylinder)
bcp_outflow = DirichletBC(Q, Constant(0), outflow)
bcu = [bcu_inflow, bcu_walls, bcu_cylinder]
bcp = [bcp_outflow]
u = TrialFunction(V)
v = TestFunction(V)
p = TrialFunction(Q)
q = TestFunction(Q)
u_n = Function(V)
u_ = Function(V)
p_n = Function(Q)
p_ = Function(Q)
U = 0.5*(u_n + u)
n = FacetNormal(mesh)
f = Constant((0, 0))
k = Constant(dt)
mu = Constant(mu)
rho = Constant(rho)
def epsilon(u):
return sym(nabla_grad(u))
def sigma(u, p):
return 2*mu*epsilon(u) - p*Identity(len(u))
F1 = rho*dot((u - u_n) / k, v)*dx + rho*dot(dot(u_n, nabla_grad(u_n)), v)*dx + inner(sigma(U, p_n), epsilon(v))*dx + dot(p_n*n, v)*ds - dot(mu*nabla_grad(U)*n, v)*ds - dot(f, v)*dx
a1 = lhs(F1)
L1 = rhs(F1)
a2 = dot(nabla_grad(p), nabla_grad(q))*dx
L2 = dot(nabla_grad(p_n), nabla_grad(q))*dx - (1/k)*div(u_)*q*dx
a3 = dot(u, v)*dx
L3 = dot(u_, v)*dx - k*dot(nabla_grad(p_ - p_n), v)*dx
A1 = assemble(a1)
A2 = assemble(a2)
A3 = assemble(a3)
[bc.apply(A1) for bc in bcu]
[bc.apply(A2) for bc in bcp]
u_file = File('navier_stokes_cylinder/velocity.pvd')
p_file = File('navier_stokes_cylinder/pressure.pvd')
timeseries_u = TimeSeries('navier_stokes_cylinder/velocity_series')
timeseries_p = TimeSeries('navier_stokes_cylinder/pressure_series')
File('navier_stokes_cylinder/cylinder.xml.gz') << mesh
t = 0
for n in range(num_steps):
t += dt
b1 = assemble(L1)
[bc.apply(b1) for bc in bcu]
solve(A1, u_.vector(), b1, 'bicgstab', 'hypre_amg')
b2 = assemble(L2)
[bc.apply(b2) for bc in bcp]
solve(A2, p_.vector(), b2, 'bicgstab', 'hypre_amg')
b3 = assemble(L3)
solve(A3, u_.vector(), b3, 'cg', 'sor')
plot(u_, title='Velocity')
plot(p_, title='Pressure')
u_file << u_
p_file << p_
timeseries_u.store(u_.vector(), t)
timeseries_p.store(p_.vector(), t)
u_n.assign(u_)
p_n.assign(p_)
print('u max:', u_.vector().get_local().max())
細かいコードの解釈はまだできていないため,今後解釈でき次第追記していきたいと思います!
可視化はおなじみのParaviewで行いました.
↓カルマン渦列が見えますね!
見知らぬ人が作成したメッシュなのでかなり荒いメッシュです.
今度は自力でメッシュ作成からFEniCSで流体計算までしてみようと思います!