توسعه يك چارچوب نرم‌افزاري متن‌باز براي روش‌هاي تفاضل محدود با قابليت پردازش موازي

Development of an open-source software framework for finite difference schemes with parallel processing feature

در اين مقاله يك چارچوب نرم‌افزاري متن‌باز با نام «چشمه» براي حل عددي معادلات سيال با روش تفاضل محدود روي شبكه‌هاي باسازمان معرفي مي‌گردد. طراحي ساختار داده در نرم‌افزار به گونه‌اي است كه چارچوب نرم‌افزاري از شبكه‌هاي باسازمان با ابعاد فضايي دلخواه پشتيباني مي‌نمايد. نرم‌افزار قابليت تقسيم شبكه عددي به چندين شبكه كوچك‌تر جهت پردازش موازي را دارد. بعلاوه با استفاده از توابعي، پيچيدگي‌هاي برنامه‌نويسي پردازش موازي براي كاربر بسيار تسهيل شده‌است. نرم‌افزار با استفاده از قابليت‌هاي جديد زبان سي‌پلاس‌پلاس، از جمله قابليت فرابرنامه‌نويسي با الگوها، توسعه يافته است طوري كه امكان محاسبه كارآمد عبارات حسابي و تفاضل محدود را به نحو ساده‌اي براي متغيرهاي ميدان فراهم مي‌آورد. علاوه بر روش‌هاي تفاضل محدود خطي كه به سادگي پياده‌سازي مي‌شوند، روش‌هاي غيرخطي نظير روش‌هاي تسخير شوك ضرورتاً غيرنوساني وزن‌دار پياده‌سازي شده‌اند. همچنين امكان استفاده از روش‌هاي تفاضل محدود فشرده كه منجر به دستگاه معادلات سه‌قطري مي‌شوند، در نرم‌افزار وجود دارد. تعريف و اعمال شرايط مرزي مختلف در نرم‌افزار پيش‌بيني گرديده‌است. تمهيداتي نيز براي وروي و خروجي از فايل در نظرگرفته شده‌است. با استفاده از چندين آزمون از جريان‌هاي تراكم‌ناپذير و تراكم‌پذير و نيز از جريان‌هاي لزج و غيرلزج قابليت نرم‌افزار نشان داده مي‌شود.

In this paper, an open-source software framework named “Chesmeh” for numerical solution of the fluid dynamics equations is introduced. The data structure is designed in a way that the software framework supports structured grids on arbitrary number of spatial dimensions. The software has the ability to decompose the numerical grid into several smaller grids for parallel processing. Furthermore, using some functions, the complexity of the parallel programming is considerably made easier for the user. The software is developed using the new features of the C++ programming language, specially the template metaprogramming feature. In addition to the linear finite difference schemes, which can be simply implemented, the nonlinear schemes such as essentially non-oscillatory shock capturing schemes are implemented. Using the software, it is also possible to use compact finite difference schemes, which lead to a tridiagonal system of equations. Defining and applying different kinds of boundary conditions are also predicted in the software. In addition, utilities are considered for file input and output. Using several test cases of compressible and incompressible flows and viscous and inviscid flows, the capabilities of the software are demonstrated.