preCICE Выдюх А.С. Старков Д.В. ФМ-204

1.

preCICE: Всё о библиотеке
для мультифизического
сопряжения
Откройте для себя мощь раздельного сопряжения (partitioned coupling) для
самых сложных инженерных и научных симуляций.
Выдюх А.С.
Старков Д.В.
ФМ-204

2.

Что такое preCICE?
preCICE (Precise Code Interaction and Coupling Environment) — это мощная
open-source библиотека, специально разработанная для выполнения
мультифизических симуляций путем сопряжения (связывания) независимых
программ-решателей. Это позволяет ученым и инженерам решать
комплексные задачи, которые невозможно смоделировать одним
инструментом.
Ключевые области применения:
Взаимодействие жидкости и конструкции (Fluid-Structure Interaction,
FSI), например, аэроупругость крыльев или биомеханика сосудов.
Конъюгированная теплопередача (Conjugate Heat Transfer, CHT),
объединяющая расчеты течения и теплопроводности.
Любые комплексные задачи, требующие объединения различных
физических моделей (например, механика, теплообмен, электричество).
preCICE обеспечивает высокую гибкость, позволяя объединять лучшие в
своем классе решатели для каждой отдельной физической части задачи.

3.

Архитектура и ключевые особенности сопряжения
Партиционированный подход
Минимальная инвазивность
preCICE работает как посредник, связывая независимые,
Для интеграции требуется всего несколько вызовов API в
уже существующие программы-решатели (например, CFD и
код вашего решателя. Это позволяет быстро внедрить
FEM) без необходимости объединять их в один монолитный
preCICE даже в большие, сложные кодовые базы с
код. Это значительно упрощает разработку и поддержку.
минимальным риском.
Масштабируемость и параллелизм
Широкая поддержка языков
Библиотека спроектирована для масштабирования от
Поддерживает основные языки, используемые в научном
локальных рабочих станций до суперкомпьютеров. Она
программировании: C++, C, Fortran, Python и Matlab. Это
эффективно управляет параллельным обменом данными
гарантирует, что разработчики могут использовать свой
между тысячами MPI-рангов, обеспечивая высокую
предпочтительный инструмент.
производительность.

4.

Передовые численные методы для точного
сопряжения
preCICE — это не просто инструмент для обмена данными; это платформа, реализующая современные численные алгоритмы для
обеспечения устойчивости и скорости сходимости сопряженных симуляций.
Ускорение
квазиньютоновским
и методами
Радиационнобазисное
отображение данных
Использование
Гибкость
сопряжения
Поддержка как слабого
сопряжения (явные схемы,
продвинутых схем
Для обмена данными
проще в настройке,
ускорения (например, IQN-
между несовпадающими
подходят для мягких
ILS) для преодоления
вычислительными
взаимодействий), так и
проблем медленной
сетками решателей
сильного сопряжения
сходимости или
используется
(неявные схемы,
расходимости,
радиационно-базисное
необходимы для задач с
характерных для сильных
отображение (RBF). Это
высоким риском
нелинейных
обеспечивает точный,
нестабильности, таких как
взаимодействий. Это
консервативный и
FSI).
критически важно для FSI
устойчивый перенос
и CHT.
информации на границе
раздела.

5.

Обширная экосистема и готовые адаптеры
Одно из главных преимуществ preCICE — это его интеграция с самыми популярными в мире решателями. Готовые адаптеры
значительно снижают порог входа и время настройки.
Официальные
адаптеры
Активное сообщество
Сообщество разработчиков и
Сопряжение с
собственным кодом
preCICE предоставляет готовые,
пользователей постоянно создает
Если вашего решателя нет в
поддерживаемые адаптеры для
новые адаптеры для менее
списке, вы можете легко
ведущих open-source CFD и FEM
распространенных или
интегрировать preCICE напрямую
решателей, включая OpenFOAM
специализированных кодов,
через API, используя его
(для жидкости), CalculiX (для
расширяя совместимость. Всегда
минимально инвазивные
конструкции), SU2, deal.II, FEniCS и
можно найти примеры для начала
возможности для сопряжения
многие другие.
работы.
собственного симуляционного
кода.

6.

История, разработчики и
сообщество
Научная основа
Открытая разработка
Разработка preCICE началась и активно
Проект размещен на GitHub и
поддерживается ведущими
распространяется под либеральной
европейскими исследовательскими
лицензией LGPLv3. Это позволяет
центрами: Техническим университетом
любому использовать, модифицировать
Мюнхена (TUM) и Университетом
и вносить вклад в библиотеку.
Штутгарта (в рамках SimTech и DFG).
Сегодня preCICE используется более
Этот академический фундамент
чем 1 00 исследовательскими группами
гарантирует, что в основу библиотеки
по всему миру, формируя глобальную
заложены самые актуальные и
сеть экспертов по сопряженным
проверенные численные методы.
симуляциям.
Поддержка осуществляется через
форумы, воркшопы и подробную
документацию, обеспечивая
непрерывное обучение и развитие.

7.

Многообразие примеров применения
Сложность и точность, обеспечиваемые preCICE, открывают двери для инноваций в ключевых отраслях.
Аэрокосмическая инженерия
Биомедицинское моделирование
Точное моделирование аэроупругости — критического
Сопряжение биомеханики мягких тканей (например,
взаимодействия аэродинамических сил и деформации
сосудистых стенок) с расчетами кровотока (гемодинамика).
конструкции крыльев или турбинных лопаток. preCICE
Это необходимо для дизайна стентов или планирования
обеспечивает стабильность FSI-моделирования при высоких
хирургических вмешательств.
скоростях.
Климатические и экологические исследования
Промышленные симуляции
Комплексные мультифизические модели, объединяющие
Разработка и оптимизация промышленных систем, где важны
атмосферные процессы, океаническую циркуляцию и таяние
одновременные процессы (например, охлаждение
ледников, для создания более точных климатических
электронных компонентов с учетом теплопередачи и
прогнозов.
воздушного потока).

8.

Пример 1: Теплоперенос и гидродинамика (CHT )
Одним из классических и наиболее важных примеров использования preCICE является сопряжение течения жидкости с
теплопередачей через твердую границу. Эта задача известна как сопряженный теплообмен (CHT).
Задача
Солверы
Результат
Моделирование конвективного и
Использование OpenFOAM для
Точный обмен граничными
кондуктивного теплообмена на
расчета течения жидкости и
условиями (температурой и
нагретой пластине, обтекаемой
FEniCS или других CFD/CSM
тепловым потоком) между
жидкостью.
солверов для расчета
солверами, обеспечивающий
температурного поля в твердом
стабильную и точную симуляцию.
теле.

9.

Пример 2 : Взаимодействие жидкости и структуры (F S I)
Задача взаимодействия жидкости и структуры (Fluid-Structure Interaction, FSI) является краеугольным камнем во многих областях инженерии, от
биомеханики до аэрокосмической отрасли. preCICE позволяет решать эти задачи с высокой точностью.
Сценарий F S I
Инструменты
Ключевой анализ
Моделирование потока жидкости в
OpenFOAM используется для
Анализируются деформации клапана под
канале, который воздействует на упругий
моделирования поведения жидкости, а
динамическим воздействием потока и
перпендикулярный клапан, вызывая его
CalculiX (FEA-солвер) — для расчета
обратное влияние этих деформаций на
деформацию.
механической реакции и деформаций
характеристики самого течения.
структуры.

10.

Пример 3: Турбинные установки и сложные геометрии
В промышленном моделировании турбин и роторных машин мультифизическое сопряжение является необходимым для точного
прогнозирования производительности и долговечности. preCICE справляется с большими и сложными системами.
Оптимизация производительности
Исследование аэродинамики турбины ASTE с применением preCICE позволяет использовать различные методы
отображения данных (маппинг) для повышения точности и стабильности сопряжения. Это критически важно
для оптимизации работы установки и повышения ее энергоэффективности.

11.

Пример 4 : Многофазные течения и
разрушение дамбы
Моделирование катастрофических событий, таких как разрушение дамбы, требует
сопряжения динамики двухфазного потока (вода/воздух) с упругой реакцией конструкции.
Постановка Задачи
Моделирование двухфазного потока
с гибкой опорой (2D), где OpenFOAM
обрабатывает жидкость, а CalculiX
— реакцию опоры.
Обмен данными
Критически важен точный обмен
данными: силовые нагрузки от
Реалистичность
Такое сопряжение позволяет
получить реалистичное
представление о динамическом
воздействии воды на конструкцию,
что необходимо для
проектирования надежных
гидротехнических сооружений.
потока к опоре и перемещения
опоры, влияющие на течение.

12.

Пример 5: Химические реакции в потоке
preCICE выходит за рамки классической механики, позволяя сопрягать гидродинамику с химическими процессами. Это открывает новые
возможности в экологическом и химическом инжиниринге.
В данном примере моделируется канальный транспорт с реакцией
химического вещества. Для этого используются два специализированных
солвера:
Один солвер (например, FEniCS) решает уравнения гидродинамики,
определяя поле скорости.
Второй солвер (например, Nutils) решает уравнения переноса с учетом
химической реакции, используя данные о скорости потока.
Сопряжение через preCICE обеспечивает корректное взаимодействие между
полем скоростей и концентрацией реагентов, что является основой для
точного анализа сложных систем, например, в микрофлюидике или при
моделировании загрязнений.

13.

Технические особенности preCICE
Успех preCICE обусловлен его гибкими техническими характеристиками, делающими его универсальным инструментом для самых требовательных
вычислительных задач.
Совместимость
Масштабируемость
Алгоритмы
Поддержка широкого спектра солверов и языков
Эффективно работает как на обычных рабочих
Включает современные методы ускорения
программирования (C++, Python, Fortran) через
станциях, так и на высокопроизводительных
сходимости (квазиньютоновские методы) и точного
унифицированный API.
вычислительных кластерах и суперкомпьютерах.
отображения данных (маппинг) на
несогласованных сетках.
Гибкий маппинг: preCICE позволяет сопрягать сетки с различной степенью детализации и топологии, что упрощает интеграцию существующих
солверов без необходимости их модификации.

14.

Как начать работать с preCICE?
Интеграция в 4 простых шага
Установка и настройка
Интеграция API
Вставьте несколько вызовов API preCICE (около 1 0-20 строк кода) в
Установите библиотеку preCICE. Настройте конфигурацию
ваш решатель. Они включают инициализацию, чтение/запись
сопряжения, используя простой и интуитивно понятный XML-файл.
данных и продвижение временного шага.
В нем указываются участники, обменные данные, методы
сопряжения и параметры ускорения.
Запуск симуляции
Постобработка и анализ
Используйте готовые инструменты для сбора данных и
Запустите оба решателя (например, CFD и FEM) как отдельные,
постобработки, чтобы визуализировать и анализировать
независимые программы. preCICE автоматически установит связь и
результаты вашей мультифизической симуляции.
начнет управлять обменом данными и итерациями сходимости.

15.

Поддержка и устойчивое развитие проекта
Поддержка для промышленности и академии
Финансирование и устойчивость
Хотя preCICE является open-source, команда разработчиков
Устойчивое развитие библиотеки обеспечивается за счет грантов от
предлагает платные уровни поддержки, которые включают
таких организаций, как DFG (Немецкий исследовательский фонд),
приоритетную помощь, индивидуальное обучение и консультации по
SimTech и региональных научных программ.
сложным проектам.
Это обеспечивает стабильность использования в критически важных
Главная цель — создать долгосрочную и стабильную open-source
коммерческих и исследовательских проектах.
экосистему для сопряженных симуляций, доступную для всех.
Посетите precice.org/docs для получения полной
документации.

16.

Заключение: Почему
preCICE?
preCICE — это больше, чем просто библиотека; это платформа, которая решает
проблему междисциплинарных симуляций, предоставляя инженерам и
исследователям универсальный, точный и масштабируемый инструмент.
Универсальность
Масштабируемость
Объединяет любые решатели
Работает одинаково
для любых мультифизических
эффективно на ноутбуке и на
задач.
суперкомпьютере.
Поддержка
Активное сообщество, академическая база и профессиональная
поддержка.
Начните сегодня — объедините свои симуляции с preCICE и
расширьте возможности своего моделирования!