# Diff of /trunk/paso/src/SolverFCT_solve.c

revision 1364 by gross, Mon Dec 17 07:22:45 2007 UTC revision 1812 by ksteube, Fri Sep 26 00:19:18 2008 UTC
# Line 1  Line 1
/* $Id:$ */
1
2  /*******************************************************  /*******************************************************
3   *  *
4   *       Copyright 2007 by University of Queensland  * Copyright (c) 2003-2008 by University of Queensland
5   *  * Earth Systems Science Computational Center (ESSCC)
6   *                http://esscc.uq.edu.au  * http://www.uq.edu.au/esscc
7   *        Primary Business: Queensland, Australia  *
8   *  Licensed under the Open Software License version 3.0  * Primary Business: Queensland, Australia
9   *     http://www.opensource.org/licenses/osl-3.0.php  * Licensed under the Open Software License version 3.0
10   *  * http://www.opensource.org/licenses/osl-3.0.php
11   *******************************************************/  *
12    *******************************************************/
13
14
15  /**************************************************************/  /**************************************************************/
16
17  /* Paso: Flux correction transport solver  /* Paso: Flux correction transport solver
18   *   *
19   * solves Mu_t=Du+Ku+q   * solves Mu_t=Ku+q
20   *   *        u(0) >=0
*  where is D is diffusive (not checked)
*          - D is symmetric
*          - row sums are equal to zero.
*  and  K is the advective part.
21   *   *
22   *        u(0) >= 0   * Warning: the program assums sum_{j} k_{ij}=0!!!
*
* intially fctp->transport_matrix defines the diffusive part
* but the matrix is updated by the adevctive part + artificial diffusion
23   *   *
24  */  */
25  /**************************************************************/  /**************************************************************/
# Line 37  Line 31
31  #include "Paso.h"  #include "Paso.h"
32  #include "Solver.h"  #include "Solver.h"
33  #include "SolverFCT.h"  #include "SolverFCT.h"
34    #include "PasoUtil.h"
35  #include "escript/blocktimer.h"  #include "escript/blocktimer.h"
36    #ifdef _OPENMP
37    #include <omp.h>
38    #endif
39    #ifdef PASO_MPI
40    #include <mpi.h>
41    #endif
42
43    /*
44     * inserts the source term into the problem
45     */
46    void Paso_FCT_setSource(const dim_t n,const double *source, double* sourceN, double* sourceP)
47    {
48       dim_t i;
49       register double rtmp;
50       /*
51        * seperate source into positive and negative part:
52        */
53       #pragma omp parallel for private(i,rtmp)
54       for (i = 0; i < n; ++i) {
55           rtmp=source[i];
56           if (rtmp <0) {
57              sourceN[i]=-rtmp;
58              sourceP[i]=0;
59           } else {
60              sourceN[i]= 0;
61              sourceP[i]= rtmp;
62           }
63       }
64    }
65
66  /***********************************************************************************/  err_t Paso_FCT_setUpRightHandSide(Paso_FCTransportProblem* fctp, const double dt, const double *u_m, Paso_Coupler* u_m_coupler,  double * z_m,
67                                      Paso_SystemMatrix* flux_matrix, Paso_Coupler* uTilde_coupler, const double *b,
68                                      Paso_Coupler* QN_coupler, Paso_Coupler* QP_coupler,
69                                      double *RN_m, Paso_Coupler* RN_m_coupler, double* RP_m, Paso_Coupler* RP_m_coupler, const double *sourceN,
70                                      Paso_Performance* pp)
71    {
72       dim_t i;
73       const dim_t n=Paso_SystemMatrix_getTotalNumRows(fctp->transport_matrix);
74       register double m, rtmp;
75       /* distribute u */
76       Paso_Coupler_startCollect(u_m_coupler,u_m);
77       Paso_Coupler_finishCollect(u_m_coupler);
78       /*
79        *  set the ant diffusion fluxes:
80        *
81        */
82       Paso_FCTransportProblem_setAntiDiffusionFlux(dt,fctp,flux_matrix,u_m_coupler);
83       /*
84        *  apply pre flux-correction: f_{ij}:=0 if f_{ij}*(\tilde{u}[i]- \tilde{u}[j])<=0
85        *
86        */
87       Paso_FCTransportProblem_applyPreAntiDiffusionCorrection(flux_matrix,uTilde_coupler);
88       /*
89        *  set flux limiters RN_m,RP_m
90        *
91        */
92       Paso_FCTransportProblem_setRs(flux_matrix,fctp->lumped_mass_matrix,QN_coupler,QP_coupler,RN_m,RP_m);
93       Paso_Coupler_startCollect(RN_m_coupler,RN_m);
94       Paso_Coupler_startCollect(RP_m_coupler,RP_m);
95        /*
96         * z_m[i]=b[i] - (m_i*u_m[i] - dt*theta*sum_{j<>i} l_{ij} (u_m[j]-u_m[i]) + dt q^-[i])
97         *
98         * note that iteration_matrix stores the negative values of the
99         * low order transport matrix l therefore a=dt*fctp->theta is used.
100         */
101       Paso_SolverFCT_setMuPaLuPbQ(z_m,fctp->lumped_mass_matrix, u_m_coupler,dt*fctp->theta,fctp->iteration_matrix,dt,sourceN);
102       /* z_m=b-z_m */
103       Paso_Update(n,-1.,z_m,1.,b);
104
105       Paso_Coupler_finishCollect(RN_m_coupler);
106       Paso_Coupler_finishCollect(RP_m_coupler);
107       /* add corrected fluxes into z_m */
109       return NO_ERROR;
110    }
111
112  void Paso_SolverFCT_solve(Paso_FCTransportProblem* fctp, double* u, double dt, double* source, Paso_Options* options) {  void Paso_SolverFCT_solve(Paso_FCTransportProblem* fctp, double* u, double dt, double* source, Paso_Options* options) {
113       const dim_t FAILURES_MAX=5;
114       err_t error_code;
115       dim_t m,n_substeps, i_substeps, Failed, i, iter;
116       err_t errorCode;
117       double *z_m=NULL, *b_n=NULL, *sourceP=NULL, *sourceN=NULL, *uTilde_n=NULL, *QN_n=NULL, *QP_n=NULL, *RN_m=NULL, *RP_m=NULL, *du_m=NULL;
118       Paso_Coupler *QN_n_coupler=NULL, *QP_n_coupler=NULL, *RN_m_coupler=NULL, *RP_m_coupler=NULL, *uTilde_n_coupler=NULL, *u_m_coupler=NULL;
119       Paso_SystemMatrix *flux_matrix_m=NULL;
120       double dt_max, dt2,t, norm_u_m, omega, norm_du_m, tol;
121       register double mass, rtmp;
122       const dim_t n=Paso_SystemMatrix_getTotalNumRows(fctp->transport_matrix);
123       dim_t blockSize=Paso_FCTransportProblem_getBlockSize(fctp);
124       const double atol=options->absolute_tolerance;
125       const double rtol=options->tolerance;
126       const dim_t max_m=options->iter_max;
127       Paso_Performance pp;
128       bool_t converged=FALSE, max_m_reached=FALSE;
129     if (dt<=0.) {     if (dt<=0.) {
130         Paso_setError(TYPE_ERROR,"Paso_SolverFCT_solve: dt must be positive.");         Paso_setError(TYPE_ERROR,"Paso_SolverFCT_solve: dt must be positive.");
131     }     }
132       dt_max=Paso_FCTransportProblem_getSafeTimeStepSize(fctp);
133       /*
134        *  allocate memory
135        *
136        */
137       z_m=TMPMEMALLOC(n,double);
138       Paso_checkPtr(z_m);
139       du_m=TMPMEMALLOC(n,double);
140       Paso_checkPtr(du_m);
141       b_n=TMPMEMALLOC(n,double);
142       Paso_checkPtr(b_n);
143       sourceP=TMPMEMALLOC(n,double);
144       Paso_checkPtr(sourceP);
145       sourceN=TMPMEMALLOC(n,double);
146       Paso_checkPtr(sourceN);
147       uTilde_n=TMPMEMALLOC(n,double);
148       Paso_checkPtr(uTilde_n);
149       QN_n=TMPMEMALLOC(n,double);
150       Paso_checkPtr(QN_n);
151       QP_n=TMPMEMALLOC(n,double);
152       Paso_checkPtr(QP_n);
153       RN_m=TMPMEMALLOC(n,double);
154       Paso_checkPtr(RN_m);
155       RP_m=TMPMEMALLOC(n,double);
156       Paso_checkPtr(RP_m);
157       QN_n_coupler=Paso_Coupler_alloc(Paso_FCTransportProblem_borrowConnector(fctp),blockSize);
158       QP_n_coupler=Paso_Coupler_alloc(Paso_FCTransportProblem_borrowConnector(fctp),blockSize);
159       RN_m_coupler=Paso_Coupler_alloc(Paso_FCTransportProblem_borrowConnector(fctp),blockSize);
160       RP_m_coupler=Paso_Coupler_alloc(Paso_FCTransportProblem_borrowConnector(fctp),blockSize);
161       uTilde_n_coupler=Paso_Coupler_alloc(Paso_FCTransportProblem_borrowConnector(fctp),blockSize);
162       u_m_coupler=Paso_Coupler_alloc(Paso_FCTransportProblem_borrowConnector(fctp),blockSize);
163       flux_matrix_m=Paso_SystemMatrix_alloc(fctp->transport_matrix->type,
164                                                     fctp->transport_matrix->pattern,
165                                                     fctp->transport_matrix->row_block_size,
166                                                     fctp->transport_matrix->col_block_size);
167
168       if (Paso_noError()) {
169           /*
170            *    Preparation:
171            *
172            */
173           Paso_FCT_setSource(n, source, sourceN, sourceP);
174           /*
175            * let the show begin!!!!
176            *
177            */
178            t=0;
179            i_substeps=0;
180            Paso_Copy(n,u,fctp->u);
181            norm_u_m=Paso_lsup(n,u, fctp->mpi_info);
182            /* while(i_substeps<n_substeps && Paso_noError()) { */
183            if (fctp->dt_max < LARGE_POSITIVE_FLOAT) {
184                dt2=MIN(dt_max,dt);
185            } else {
186                 dt2=dt;
187            }
188            while(t<dt && Paso_noError()) {
189                printf("substep step %d at t=%e (step size= %e)\n",i_substeps+1,t+dt2,dt2);
190                Paso_FCT_setUp(fctp,dt2,sourceN,sourceP,b_n,uTilde_n,uTilde_n_coupler,QN_n,QN_n_coupler,QP_n,QP_n_coupler,
191                               options,&pp);
192                /* now the iteration starts */
193                m=0;
194                converged=FALSE;
195                max_m_reached=FALSE;
196                /* tolerance? */
197                while ( (!converged) && (! max_m_reached) && Paso_noError()) {
198                        /* set z_m */
199                        Paso_FCT_setUpRightHandSide(fctp,dt2,u,u_m_coupler,z_m,flux_matrix_m,uTilde_n_coupler,b_n,
200                                      QN_n_coupler,QP_n_coupler,RN_m,RN_m_coupler,RP_m,RP_m_coupler,sourceN,&pp);
201                        /*
202                         * now we solve the linear system to get the correction dt:
203                         *
204                         */
205                         if (fctp->theta > 0) {
206                              omega=1./(dt2*fctp->theta);
207                              Paso_Solver_solvePreconditioner(fctp->iteration_matrix,du_m,z_m);
208                              Paso_Update(n,1.,u,omega,du_m);
209                         } else {
210                              omega=1;
211                              #pragma omp parallel for private(i,mass,rtmp)
212                              for (i = 0; i < n; ++i) {
213                                  mass=fctp->lumped_mass_matrix[i];
214                                  if (ABS(mass)>0.) {
215                                      rtmp=z_m[i]/mass;
216                                  } else {
217                                      rtmp=0;
218                                  }
219                                  du_m[i]=rtmp;
220                                  u[i]+=rtmp;
221                              }
222                       }
223                       norm_u_m=Paso_lsup(n,u, fctp->mpi_info);
224                       norm_du_m=Paso_lsup(n,du_m, fctp->mpi_info)*omega;
225                       printf("iteration step %d completed: norm increment= %e (tolerance = %e)\n",m+1, norm_du_m, rtol * norm_u_m + atol);
226
227                       max_m_reached=(m>max_m);
228                       converged=(norm_du_m <= rtol * norm_u_m + atol);
229                       m++;
230                }
231                if (converged) {
232                        Failed=0;
233                        /* #pragma omp parallel for schedule(static) private(i) */
234                        Paso_Copy(n,fctp->u,u);
235                        i_substeps++;
236                        t+=dt2;
237                        if (fctp->dt_max < LARGE_POSITIVE_FLOAT) {
238                           dt2=MIN3(dt_max,dt2*1.5,dt-t);
239                        } else {
240                           dt2=MIN(dt2*1.5,dt-t);
241                        }
242                } else if (max_m_reached) {
243                        /* if FAILURES_MAX failures in a row: give up */
244                        if (Failed > FAILURES_MAX) {
245                           Paso_setError(VALUE_ERROR,"Paso_SolverFCT_solve: no convergence after time step reduction.");
246                        } else {
247                           printf("no convergence in Paso_Solver_NewtonGMRES: Trying smaller time step size.");
248                           dt2=dt*0.5;
249                           Failed++;
250                        }
251                }
252
253          }
254          /*
255           *  clean-up:
256           *
257           */
258          MEMFREE(z_m);
259          MEMFREE(du_m);
260          TMPMEMFREE(b_n);
261          Paso_SystemMatrix_free(flux_matrix_m);
262          TMPMEMFREE(sourceP);
263          TMPMEMFREE(sourceN);
264          TMPMEMFREE(uTilde_n);
265          TMPMEMFREE(QN_n);
266          TMPMEMFREE(QP_n);
267          TMPMEMFREE(RN_m);
268          TMPMEMFREE(RP_m);
269          Paso_Coupler_free(QN_n_coupler);
270          Paso_Coupler_free(QP_n_coupler);
271          Paso_Coupler_free(RN_m_coupler);
272          Paso_Coupler_free(RP_m_coupler);
273          Paso_Coupler_free(uTilde_n_coupler);
274          Paso_Coupler_free(u_m_coupler);
275          options->absolute_tolerance=atol;
276          options->tolerance=rtol;
277       }
278    }
279    double Paso_FCTransportProblem_getSafeTimeStepSize(Paso_FCTransportProblem* fctp)
280    {
281       dim_t i, n;
282       double dt_max, dt_max_loc;
283       register double l_ii,m;
284       n=Paso_SystemMatrix_getTotalNumRows(fctp->transport_matrix);
285     if (! fctp->valid_matrices) {     if (! fctp->valid_matrices) {
286            fctp->dt_max=LARGE_POSITIVE_FLOAT;
287          /* extract the row sum of the advective part */          /* extract the row sum of the advective part */
288          Paso_SystemMatrix_rowSum(fctp->flux_matrix,fctp->row_sum_flux_matrix);          Paso_SystemMatrix_rowSum(fctp->mass_matrix,fctp->lumped_mass_matrix);

/* add the advective part + artificial diffusion to the diffusive part */
289
290          if (Paso_noError()) fctp->valid_matrices=TRUE;          /* set low order transport operator */
291            Paso_FCTransportProblem_setLowOrderOperator(fctp);
292            /*
293             *  calculate time step size:
294            */
295            dt_max=LARGE_POSITIVE_FLOAT;
296            if (fctp->theta < 1.) {
297                #pragma omp parallel private(dt_max_loc)
298                {
299                   dt_max_loc=LARGE_POSITIVE_FLOAT;
300                   #pragma omp for schedule(static) private(i,l_ii,m)
301                   for (i=0;i<n;++i) {
302                        l_ii=fctp->main_diagonal_low_order_transport_matrix[i];
303                        m=fctp->lumped_mass_matrix[i];
304                        if ( (l_ii<0 && m>0.) || (l_ii>0 && m<0) ) {
305                            dt_max_loc=MIN(dt_max_loc,-m/l_ii);
306                        }
307                    }
308                    #pragma omp critical
309                    {
310                        dt_max=MIN(dt_max,dt_max_loc);
311                    }
312                }
313                #ifdef PASO_MPI
314                   dt_max_loc = dt_max;
315               MPI_Allreduce(&dt_max_loc, &dt_max, 1, MPI_DOUBLE, MPI_MIN, fctp->mpi_info->comm);
316                 #endif
317                 if (dt_max<LARGE_POSITIVE_FLOAT) dt_max*=1./(1.-fctp->theta);
318             }
319             if (dt_max <= 0.)  {
320                Paso_setError(TYPE_ERROR,"Paso_SolverFCT_solve: dt must be positive.");
321             } else {
322               if (dt_max<LARGE_POSITIVE_FLOAT) printf("maximum time step size is %e (theta = %e).\n",dt_max,fctp->theta);
323            }
324            fctp->dt_max=dt_max;
325            fctp->valid_matrices=Paso_noError();
326     }     }
327       return fctp->dt_max;
328    }
329    void Paso_FCT_setUp(Paso_FCTransportProblem* fctp, const double dt, const double *sourceN, const double *sourceP, double* b, double* uTilde,
330                         Paso_Coupler* uTilde_coupler, double *QN, Paso_Coupler* QN_coupler, double *QP, Paso_Coupler* QP_coupler,
331                         Paso_Options* options, Paso_Performance* pp)
332    {
333       dim_t i;
334       const dim_t n=Paso_SystemMatrix_getTotalNumRows(fctp->transport_matrix);
335       double omega, factor;
336       register double m, u_tilde_i, rtmp4;
337       /* distribute u */
338       Paso_Coupler_startCollect(fctp->u_coupler,fctp->u);
339       Paso_Coupler_finishCollect(fctp->u_coupler);
340       /*
341        * b^n[i]=m u^n[i] + dt*(1-theta) sum_{j <> i} l_{ij}*(u^n[j]-u^n[i]) + dt*sourceP[i]
342        *
343        * note that iteration_matrix stores the negative values of the
344        * low order transport matrix l therefore a=-dt*(1-fctp->theta) is used.
345        *
346        */
347        Paso_SolverFCT_setMuPaLuPbQ(b,fctp->lumped_mass_matrix,fctp->u_coupler,
348                                   -dt*(1-fctp->theta),fctp->iteration_matrix,dt,sourceP);
349       /*
350        *   uTilde[i]=b[i]/m[i]
351        *
352        *   fctp->iteration_matrix[i,i]=m[i]/(dt theta) + \frac{1}{\theta} \frac{q^-[i]}-l[i,i]
353        *
354        */
355        if (fctp->theta > 0) {
356             Paso_solve_free(fctp->iteration_matrix);
357             omega=1./(dt*fctp->theta);
358             factor=dt*omega;
359             #pragma omp parallel for private(i,m,u_tilde_i,rtmp4)
360             for (i = 0; i < n; ++i) {
361                  m=fctp->lumped_mass_matrix[i];
362                  if (ABS(m)>0.) {
363                     u_tilde_i=b[i]/m;
364                  } else {
365                     u_tilde_i=fctp->u[i];
366                  }
367                  rtmp4=m*omega-fctp->main_diagonal_low_order_transport_matrix[i];
368                  if (ABS(u_tilde_i)>0) rtmp4+=sourceN[i]*factor/u_tilde_i;
369                  fctp->iteration_matrix->mainBlock->val[fctp->main_iptr[i]]=rtmp4;
370                  uTilde[i]=u_tilde_i;
371             }
372             Performance_startMonitor(pp,PERFORMANCE_PRECONDITIONER_INIT);
373             Paso_Solver_setPreconditioner(fctp->iteration_matrix,options);
374             Performance_stopMonitor(pp,PERFORMANCE_PRECONDITIONER_INIT);
375        } else {
376            #pragma omp parallel for private(i,m,u_tilde_i)
377            for (i = 0; i < n; ++i) {
378                m=fctp->lumped_mass_matrix[i];
379                if (ABS(m)>0.) {
380                    u_tilde_i=b[i]/m;
381                } else {
382                    u_tilde_i=fctp->u[i];
383                }
384                uTilde[i]=u_tilde_i;
385            }
386            /* no update of iteration_matrix required! */
387        } /* end (fctp->theta > 0) */
388
389        /* distribute uTilde: */
390        Paso_Coupler_startCollect(uTilde_coupler,uTilde);
391        Paso_Coupler_finishCollect(uTilde_coupler);
392        /*
393         * calculate QP[i] max_{j} (\tilde{u}[j]- \tilde{u}[i] )
394         *           QN[i] min_{j} (\tilde{u}[j]- \tilde{u}[i] )
395         *
396         */
397         Paso_SolverFCT_setQs(uTilde_coupler,QN,QP,fctp->iteration_matrix);
398         Paso_Coupler_startCollect(QN_coupler,QN);
399         Paso_Coupler_startCollect(QP_coupler,QP);
400         Paso_Coupler_finishCollect(QN_coupler);
401         Paso_Coupler_finishCollect(QP_coupler);
402  }  }

Legend:
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