xref: /petsc/src/ts/tests/ex27.c (revision 57508ece14a6b1339c0bbf016ecd72f673a062b0)
1d0c080abSJoseph Pusztay static char help[] = "Particle Basis Landau Example using nonlinear solve + Implicit Midpoint-like time stepping.";
2d0c080abSJoseph Pusztay 
3d0c080abSJoseph Pusztay /* TODO
4d0c080abSJoseph Pusztay 
5d0c080abSJoseph Pusztay 1) SNES is sensitive to epsilon (but not to h). Should we do continuation in it?
6d0c080abSJoseph Pusztay 
7d0c080abSJoseph Pusztay 2) Put this timestepper in library, maybe by changing DG
8d0c080abSJoseph Pusztay 
9d0c080abSJoseph Pusztay 3) Add monitor to visualize distributions
10d0c080abSJoseph Pusztay 
11d0c080abSJoseph Pusztay */
12d0c080abSJoseph Pusztay 
13d0c080abSJoseph Pusztay /* References
14d0c080abSJoseph Pusztay   [1] https://arxiv.org/abs/1910.03080v2
15d0c080abSJoseph Pusztay */
16d0c080abSJoseph Pusztay 
17d0c080abSJoseph Pusztay #include <petscdmplex.h>
18d0c080abSJoseph Pusztay #include <petscdmswarm.h>
19d0c080abSJoseph Pusztay #include <petscts.h>
20d0c080abSJoseph Pusztay #include <petscviewer.h>
21d0c080abSJoseph Pusztay #include <petscmath.h>
22d0c080abSJoseph Pusztay 
23d0c080abSJoseph Pusztay typedef struct {
24d0c080abSJoseph Pusztay   /* Velocity space grid and functions */
25d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  N;         /* The number of partices per spatial cell */
26d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal L;         /* Velocity space is [-L, L]^d */
27d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal h;         /* Spacing for grid 2L / N^{1/d} */
28d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal epsilon;   /* gaussian regularization parameter */
29d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal momentTol; /* Tolerance for checking moment conservation */
30d0c080abSJoseph Pusztay } AppCtx;
31d0c080abSJoseph Pusztay 
32d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode ProcessOptions(MPI_Comm comm, AppCtx *options)
33d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
34d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
35d0c080abSJoseph Pusztay   options->N         = 1;
36d0c080abSJoseph Pusztay   options->momentTol = 100.0 * PETSC_MACHINE_EPSILON;
37d0c080abSJoseph Pusztay   options->L         = 1.0;
38d0c080abSJoseph Pusztay   options->h         = -1.0;
39d0c080abSJoseph Pusztay   options->epsilon   = -1.0;
40d0c080abSJoseph Pusztay 
41d0609cedSBarry Smith   PetscOptionsBegin(comm, "", "Collision Options", "DMPLEX");
429566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsInt("-N", "Number of particles per spatial cell", "ex27.c", options->N, &options->N, NULL));
439566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-L", "Velocity-space extent", "ex27.c", options->L, &options->L, NULL));
449566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-h", "Velocity-space resolution", "ex27.c", options->h, &options->h, NULL));
459566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-epsilon", "Mollifier regularization parameter", "ex27.c", options->epsilon, &options->epsilon, NULL));
46d0609cedSBarry Smith   PetscOptionsEnd();
473ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
48d0c080abSJoseph Pusztay }
49d0c080abSJoseph Pusztay 
50d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode CreateMesh(MPI_Comm comm, DM *dm, AppCtx *user)
51d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
52d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
539566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreate(comm, dm));
549566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetType(*dm, DMPLEX));
559566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetFromOptions(*dm));
569566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMViewFromOptions(*dm, NULL, "-dm_view"));
573ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
58d0c080abSJoseph Pusztay }
59d0c080abSJoseph Pusztay 
60d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode SetInitialCoordinates(DM sw)
61d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
62d0c080abSJoseph Pusztay   AppCtx        *user;
63d0c080abSJoseph Pusztay   PetscRandom    rnd, rndv;
64d0c080abSJoseph Pusztay   DM             dm;
65d0c080abSJoseph Pusztay   DMPolytopeType ct;
66d0c080abSJoseph Pusztay   PetscBool      simplex;
67d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal     *centroid, *coords, *velocity, *xi0, *v0, *J, *invJ, detJ, *vals;
68d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt       dim, d, cStart, cEnd, c, Np, p;
69d0c080abSJoseph Pusztay 
70d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
71d0c080abSJoseph Pusztay   /* Randomization for coordinates */
729566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomCreate(PetscObjectComm((PetscObject)sw), &rnd));
739566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetInterval(rnd, -1.0, 1.0));
749566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetFromOptions(rnd));
759566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomCreate(PetscObjectComm((PetscObject)sw), &rndv));
769566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetInterval(rndv, -1., 1.));
779566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetFromOptions(rndv));
789566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetApplicationContext(sw, &user));
79d0c080abSJoseph Pusztay   Np = user->N;
809566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(sw, &dim));
819566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetCellDM(sw, &dm));
829f4ada15SMatthew G. Knepley   PetscCall(DMGetCoordinatesLocalSetUp(dm));
839566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetHeightStratum(dm, 0, &cStart, &cEnd));
849566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetCellType(dm, cStart, &ct));
85d0c080abSJoseph Pusztay   simplex = DMPolytopeTypeGetNumVertices(ct) == DMPolytopeTypeGetDim(ct) + 1 ? PETSC_TRUE : PETSC_FALSE;
869566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscMalloc5(dim, &centroid, dim, &xi0, dim, &v0, dim * dim, &J, dim * dim, &invJ));
87d0c080abSJoseph Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) xi0[d] = -1.0;
889566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(sw, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coords));
899566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(sw, "velocity", NULL, NULL, (void **)&velocity));
909566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(sw, "w_q", NULL, NULL, (void **)&vals));
91d0c080abSJoseph Pusztay   for (c = cStart; c < cEnd; ++c) {
92d0c080abSJoseph Pusztay     if (Np == 1) {
939566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMPlexComputeCellGeometryFVM(dm, c, NULL, centroid, NULL));
94ad540459SPierre Jolivet       for (d = 0; d < dim; ++d) coords[c * dim + d] = centroid[d];
95d0c080abSJoseph Pusztay       vals[c] = 1.0;
96d0c080abSJoseph Pusztay     } else {
979566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMPlexComputeCellGeometryFEM(dm, c, NULL, v0, J, invJ, &detJ)); /* affine */
98d0c080abSJoseph Pusztay       for (p = 0; p < Np; ++p) {
99d0c080abSJoseph Pusztay         const PetscInt n   = c * Np + p;
100d0c080abSJoseph Pusztay         PetscReal      sum = 0.0, refcoords[3];
101d0c080abSJoseph Pusztay 
102d0c080abSJoseph Pusztay         for (d = 0; d < dim; ++d) {
1039566063dSJacob Faibussowitsch           PetscCall(PetscRandomGetValueReal(rnd, &refcoords[d]));
104d0c080abSJoseph Pusztay           sum += refcoords[d];
105d0c080abSJoseph Pusztay         }
1069371c9d4SSatish Balay         if (simplex && sum > 0.0)
1079371c9d4SSatish Balay           for (d = 0; d < dim; ++d) refcoords[d] -= PetscSqrtReal(dim) * sum;
108d0c080abSJoseph Pusztay         vals[n] = 1.0;
1099566063dSJacob Faibussowitsch         PetscCall(DMPlexReferenceToCoordinates(dm, c, 1, refcoords, &coords[n * dim]));
110d0c080abSJoseph Pusztay       }
111d0c080abSJoseph Pusztay     }
112d0c080abSJoseph Pusztay   }
113d0c080abSJoseph Pusztay   /* Random velocity IC */
114d0c080abSJoseph Pusztay   for (c = cStart; c < cEnd; ++c) {
115d0c080abSJoseph Pusztay     for (p = 0; p < Np; ++p) {
116d0c080abSJoseph Pusztay       for (d = 0; d < dim; ++d) {
117d0c080abSJoseph Pusztay         PetscReal v_val;
118d0c080abSJoseph Pusztay 
1199566063dSJacob Faibussowitsch         PetscCall(PetscRandomGetValueReal(rndv, &v_val));
120d0c080abSJoseph Pusztay         velocity[p * dim + d] = v_val;
121d0c080abSJoseph Pusztay       }
122d0c080abSJoseph Pusztay     }
123d0c080abSJoseph Pusztay   }
1249566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(sw, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coords));
1259566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(sw, "velocity", NULL, NULL, (void **)&velocity));
1269566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(sw, "w_q", NULL, NULL, (void **)&vals));
1279566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFree5(centroid, xi0, v0, J, invJ));
1289566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomDestroy(&rnd));
1299566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomDestroy(&rndv));
1303ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
131d0c080abSJoseph Pusztay }
132d0c080abSJoseph Pusztay 
133d0c080abSJoseph Pusztay /* Get velocities from swarm and place in solution vector */
134d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode SetInitialConditions(DM dmSw, Vec u)
135d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
136d0c080abSJoseph Pusztay   DM           dm;
137d0c080abSJoseph Pusztay   AppCtx      *user;
138d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal   *velocity;
139d0c080abSJoseph Pusztay   PetscScalar *initialConditions;
140d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt     dim, d, cStart, cEnd, c, Np, p, n;
141d0c080abSJoseph Pusztay 
142d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
1439566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetLocalSize(u, &n));
1449566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetApplicationContext(dmSw, &user));
145d0c080abSJoseph Pusztay   Np = user->N;
1469566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetCellDM(dmSw, &dm));
1479566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(dm, &dim));
1489566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetHeightStratum(dm, 0, &cStart, &cEnd));
1499566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(dmSw, "velocity", NULL, NULL, (void **)&velocity));
1509566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArray(u, &initialConditions));
151d0c080abSJoseph Pusztay   for (c = cStart; c < cEnd; ++c) {
152d0c080abSJoseph Pusztay     for (p = 0; p < Np; ++p) {
153d0c080abSJoseph Pusztay       const PetscInt n = c * Np + p;
154ad540459SPierre Jolivet       for (d = 0; d < dim; d++) initialConditions[n * dim + d] = velocity[n * dim + d];
155d0c080abSJoseph Pusztay     }
156d0c080abSJoseph Pusztay   }
1579566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArray(u, &initialConditions));
1589566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(dmSw, "velocity", NULL, NULL, (void **)&velocity));
1593ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
160d0c080abSJoseph Pusztay }
161d0c080abSJoseph Pusztay 
162d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode CreateParticles(DM dm, DM *sw, AppCtx *user)
163d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
164d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt *cellid;
165d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  dim, cStart, cEnd, c, Np = user->N, p;
166d0c080abSJoseph Pusztay   PetscBool view = PETSC_FALSE;
167d0c080abSJoseph Pusztay 
168d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
1699566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(dm, &dim));
1709566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreate(PetscObjectComm((PetscObject)dm), sw));
1719566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetType(*sw, DMSWARM));
1729566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetDimension(*sw, dim));
173d0c080abSJoseph Pusztay   /* h = 2L/n and N = n^d */
174d0c080abSJoseph Pusztay   if (user->h < 0.) user->h = 2. * user->L / PetscPowReal(user->N, 1. / dim);
175d0c080abSJoseph Pusztay   /* From Section 4 in [1], \epsilon = 0.64 h^.98 */
176d0c080abSJoseph Pusztay   if (user->epsilon < 0.) user->epsilon = 0.64 * pow(user->h, 1.98);
1779566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsGetBool(NULL, NULL, "-param_view", &view, NULL));
17848a46eb9SPierre Jolivet   if (view) PetscCall(PetscPrintf(PETSC_COMM_SELF, "N: %" PetscInt_FMT " L: %g h: %g eps: %g\n", user->N, (double)user->L, (double)user->h, (double)user->epsilon));
1799566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSetType(*sw, DMSWARM_PIC));
1809566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSetCellDM(*sw, dm));
1819566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRegisterPetscDatatypeField(*sw, "velocity", dim, PETSC_REAL));
1829566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRegisterPetscDatatypeField(*sw, "w_q", 1, PETSC_SCALAR));
1839566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmFinalizeFieldRegister(*sw));
1849566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetHeightStratum(dm, 0, &cStart, &cEnd));
1859566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSetLocalSizes(*sw, (cEnd - cStart) * Np, 0));
1869566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetFromOptions(*sw));
1879566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(*sw, DMSwarmPICField_cellid, NULL, NULL, (void **)&cellid));
188d0c080abSJoseph Pusztay   for (c = cStart; c < cEnd; ++c) {
189d0c080abSJoseph Pusztay     for (p = 0; p < Np; ++p) {
190d0c080abSJoseph Pusztay       const PetscInt n = c * Np + p;
191d0c080abSJoseph Pusztay       cellid[n]        = c;
192d0c080abSJoseph Pusztay     }
193d0c080abSJoseph Pusztay   }
1949566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(*sw, DMSwarmPICField_cellid, NULL, NULL, (void **)&cellid));
1959566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscObjectSetName((PetscObject)*sw, "Particles"));
1969566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMViewFromOptions(*sw, NULL, "-sw_view"));
1973ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
198d0c080abSJoseph Pusztay }
199d0c080abSJoseph Pusztay 
200d0c080abSJoseph Pusztay /* Internal dmplex function, same as found in dmpleximpl.h */
201d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static void DMPlex_WaxpyD_Internal(PetscInt dim, PetscReal a, const PetscReal *x, const PetscReal *y, PetscReal *w)
202d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
203d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt d;
204d0c080abSJoseph Pusztay 
205d0c080abSJoseph Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) w[d] = a * x[d] + y[d];
206d0c080abSJoseph Pusztay }
207d0c080abSJoseph Pusztay 
208d0c080abSJoseph Pusztay /* Internal dmplex function, same as found in dmpleximpl.h */
209d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscReal DMPlex_DotD_Internal(PetscInt dim, const PetscScalar *x, const PetscReal *y)
210d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
211d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal sum = 0.0;
212d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  d;
213d0c080abSJoseph Pusztay 
214d0c080abSJoseph Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) sum += PetscRealPart(x[d]) * y[d];
215d0c080abSJoseph Pusztay   return sum;
216d0c080abSJoseph Pusztay }
217d0c080abSJoseph Pusztay 
218d0c080abSJoseph Pusztay /* Internal dmplex function, same as found in dmpleximpl.h */
219d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static void DMPlex_MultAdd2DReal_Internal(const PetscReal A[], PetscInt ldx, const PetscScalar x[], PetscScalar y[])
220d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
221d0c080abSJoseph Pusztay   PetscScalar z[2];
2229371c9d4SSatish Balay   z[0] = x[0];
2239371c9d4SSatish Balay   z[1] = x[ldx];
224d0c080abSJoseph Pusztay   y[0] += A[0] * z[0] + A[1] * z[1];
225d0c080abSJoseph Pusztay   y[ldx] += A[2] * z[0] + A[3] * z[1];
226d0c080abSJoseph Pusztay   (void)PetscLogFlops(6.0);
227d0c080abSJoseph Pusztay }
228d0c080abSJoseph Pusztay 
229d0c080abSJoseph Pusztay /* Internal dmplex function, same as found in dmpleximpl.h to avoid private includes. */
230d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static void DMPlex_MultAdd3DReal_Internal(const PetscReal A[], PetscInt ldx, const PetscScalar x[], PetscScalar y[])
231d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
232d0c080abSJoseph Pusztay   PetscScalar z[3];
2339371c9d4SSatish Balay   z[0] = x[0];
2349371c9d4SSatish Balay   z[1] = x[ldx];
2359371c9d4SSatish Balay   z[2] = x[ldx * 2];
236d0c080abSJoseph Pusztay   y[0] += A[0] * z[0] + A[1] * z[1] + A[2] * z[2];
237d0c080abSJoseph Pusztay   y[ldx] += A[3] * z[0] + A[4] * z[1] + A[5] * z[2];
238d0c080abSJoseph Pusztay   y[ldx * 2] += A[6] * z[0] + A[7] * z[1] + A[8] * z[2];
239d0c080abSJoseph Pusztay   (void)PetscLogFlops(15.0);
240d0c080abSJoseph Pusztay }
241d0c080abSJoseph Pusztay 
242d0c080abSJoseph Pusztay /*
243d0c080abSJoseph Pusztay   Gaussian - The Gaussian function G(x)
244d0c080abSJoseph Pusztay 
245d0c080abSJoseph Pusztay   Input Parameters:
246d0c080abSJoseph Pusztay +  dim   - The number of dimensions, or size of x
247d0c080abSJoseph Pusztay .  mu    - The mean, or center
248d0c080abSJoseph Pusztay .  sigma - The standard deviation, or width
249d0c080abSJoseph Pusztay -  x     - The evaluation point of the function
250d0c080abSJoseph Pusztay 
251d0c080abSJoseph Pusztay   Output Parameter:
252d0c080abSJoseph Pusztay . ret - The value G(x)
253d0c080abSJoseph Pusztay */
254d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscReal Gaussian(PetscInt dim, const PetscReal mu[], PetscReal sigma, const PetscReal x[])
255d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
256d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal arg = 0.0;
257d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  d;
258d0c080abSJoseph Pusztay 
259d0c080abSJoseph Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) arg += PetscSqr(x[d] - mu[d]);
260d0c080abSJoseph Pusztay   return PetscPowReal(2.0 * PETSC_PI * sigma, -dim / 2.0) * PetscExpReal(-arg / (2.0 * sigma));
261d0c080abSJoseph Pusztay }
262d0c080abSJoseph Pusztay 
263d0c080abSJoseph Pusztay /*
264d0c080abSJoseph Pusztay   ComputeGradS - Compute grad_v dS_eps/df
265d0c080abSJoseph Pusztay 
266d0c080abSJoseph Pusztay   Input Parameters:
267d0c080abSJoseph Pusztay + dim      - The dimension
268d0c080abSJoseph Pusztay . Np       - The number of particles
269d0c080abSJoseph Pusztay . vp       - The velocity v_p of the particle at which we evaluate
270d0c080abSJoseph Pusztay . velocity - The velocity field for all particles
271d0c080abSJoseph Pusztay . epsilon  - The regularization strength
272d0c080abSJoseph Pusztay 
273d0c080abSJoseph Pusztay   Output Parameter:
274d0c080abSJoseph Pusztay . integral - The output grad_v dS_eps/df (v_p)
275d0c080abSJoseph Pusztay 
276d0c080abSJoseph Pusztay   Note:
277d0c080abSJoseph Pusztay   This comes from (3.6) in [1], and we are computing
278d0c080abSJoseph Pusztay $   \nabla_v S_p = \grad \psi_\epsilon(v_p - v) log \sum_q \psi_\epsilon(v - v_q)
279d0c080abSJoseph Pusztay   which is discretized by using a one-point quadrature in each box l at its center v^c_l
280d0c080abSJoseph Pusztay $   \sum_l h^d \nabla\psi_\epsilon(v_p - v^c_l) \log\left( \sum_q w_q \psi_\epsilon(v^c_l - v_q) \right)
281d0c080abSJoseph Pusztay   where h^d is the volume of each box.
282d0c080abSJoseph Pusztay */
283d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode ComputeGradS(PetscInt dim, PetscInt Np, const PetscReal vp[], const PetscReal velocity[], PetscReal integral[], AppCtx *ctx)
284d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
285d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal vc_l[3], L = ctx->L, h = ctx->h, epsilon = ctx->epsilon, init = 0.5 * h - L;
286d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  nx = roundf(2. * L / h);
287d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  ny = dim > 1 ? nx : 1;
288d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  nz = dim > 2 ? nx : 1;
289d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  i, j, k, d, q, dbg = 0;
290d0c080abSJoseph Pusztay 
291d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginHot;
292d0c080abSJoseph Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) integral[d] = 0.0;
293d0c080abSJoseph Pusztay   for (k = 0, vc_l[2] = init; k < nz; ++k, vc_l[2] += h) {
294d0c080abSJoseph Pusztay     for (j = 0, vc_l[1] = init; j < ny; ++j, vc_l[1] += h) {
295d0c080abSJoseph Pusztay       for (i = 0, vc_l[0] = init; i < nx; ++i, vc_l[0] += h) {
296d0c080abSJoseph Pusztay         PetscReal sum = 0.0;
297d0c080abSJoseph Pusztay 
29863a3b9bcSJacob Faibussowitsch         if (dbg) PetscCall(PetscPrintf(PETSC_COMM_SELF, "(%" PetscInt_FMT " %" PetscInt_FMT ") vc_l: %g %g\n", i, j, (double)vc_l[0], (double)vc_l[1]));
299d0c080abSJoseph Pusztay         /* \log \sum_k \psi(v - v_k)  */
300d0c080abSJoseph Pusztay         for (q = 0; q < Np; ++q) sum += Gaussian(dim, &velocity[q * dim], epsilon, vc_l);
301d0c080abSJoseph Pusztay         sum = PetscLogReal(sum);
302*57508eceSPierre Jolivet         for (d = 0; d < dim; ++d) integral[d] += (-1. / epsilon) * PetscAbsReal(vp[d] - vc_l[d]) * Gaussian(dim, vp, epsilon, vc_l) * sum;
303d0c080abSJoseph Pusztay       }
304d0c080abSJoseph Pusztay     }
305d0c080abSJoseph Pusztay   }
3063ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
307d0c080abSJoseph Pusztay }
308d0c080abSJoseph Pusztay 
309d0c080abSJoseph Pusztay /* Q = 1/|xi| (I - xi xi^T / |xi|^2), xi = vp - vq */
310d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode QCompute(PetscInt dim, const PetscReal vp[], const PetscReal vq[], PetscReal Q[])
311d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
312d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal xi[3], xi2, xi3, mag;
313d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt  d, e;
314d0c080abSJoseph Pusztay 
315d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginHot;
316d0c080abSJoseph Pusztay   DMPlex_WaxpyD_Internal(dim, -1.0, vq, vp, xi);
317d0c080abSJoseph Pusztay   xi2 = DMPlex_DotD_Internal(dim, xi, xi);
318d0c080abSJoseph Pusztay   mag = PetscSqrtReal(xi2);
319d0c080abSJoseph Pusztay   xi3 = xi2 * mag;
320d0c080abSJoseph Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) {
321ad540459SPierre Jolivet     for (e = 0; e < dim; ++e) Q[d * dim + e] = -xi[d] * xi[e] / xi3;
322d0c080abSJoseph Pusztay     Q[d * dim + d] += 1. / mag;
323d0c080abSJoseph Pusztay   }
3243ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
325d0c080abSJoseph Pusztay }
326d0c080abSJoseph Pusztay 
327d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode RHSFunctionParticles(TS ts, PetscReal t, Vec U, Vec R, void *ctx)
328d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
329d0c080abSJoseph Pusztay   AppCtx            *user = (AppCtx *)ctx;
330d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt           dbg  = 0;
331d0c080abSJoseph Pusztay   DM                 sw;  /* Particles */
332d0c080abSJoseph Pusztay   Vec                sol; /* Solution vector at current time */
333d0c080abSJoseph Pusztay   const PetscScalar *u;   /* input solution vector */
334d0c080abSJoseph Pusztay   PetscScalar       *r;
335d0c080abSJoseph Pusztay   PetscReal         *velocity;
336d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt           dim, Np, p, q;
337d0c080abSJoseph Pusztay 
338d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
3399566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecZeroEntries(R));
3409566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(ts, &sw));
3419566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(sw, &dim));
3429566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetLocalSize(U, &Np));
3439566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetSolution(ts, &sol));
3449566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArray(sol, &velocity));
3459566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArray(R, &r));
3469566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArrayRead(U, &u));
347d0c080abSJoseph Pusztay   Np /= dim;
3489566063dSJacob Faibussowitsch   if (dbg) PetscCall(PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD, "Part  ppr     x        y\n"));
349d0c080abSJoseph Pusztay   for (p = 0; p < Np; ++p) {
350d0c080abSJoseph Pusztay     PetscReal gradS_p[3] = {0., 0., 0.};
351d0c080abSJoseph Pusztay 
3529566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(ComputeGradS(dim, Np, &velocity[p * dim], velocity, gradS_p, user));
353d0c080abSJoseph Pusztay     for (q = 0; q < Np; ++q) {
354d0c080abSJoseph Pusztay       PetscReal gradS_q[3] = {0., 0., 0.}, GammaS[3] = {0., 0., 0.}, Q[9];
355d0c080abSJoseph Pusztay 
356d0c080abSJoseph Pusztay       if (q == p) continue;
3579566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(ComputeGradS(dim, Np, &velocity[q * dim], velocity, gradS_q, user));
358d0c080abSJoseph Pusztay       DMPlex_WaxpyD_Internal(dim, -1.0, gradS_q, gradS_p, GammaS);
3599566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(QCompute(dim, &u[p * dim], &u[q * dim], Q));
360d0c080abSJoseph Pusztay       switch (dim) {
361d71ae5a4SJacob Faibussowitsch       case 2:
362d71ae5a4SJacob Faibussowitsch         DMPlex_MultAdd2DReal_Internal(Q, 1, GammaS, &r[p * dim]);
363d71ae5a4SJacob Faibussowitsch         break;
364d71ae5a4SJacob Faibussowitsch       case 3:
365d71ae5a4SJacob Faibussowitsch         DMPlex_MultAdd3DReal_Internal(Q, 1, GammaS, &r[p * dim]);
366d71ae5a4SJacob Faibussowitsch         break;
367d71ae5a4SJacob Faibussowitsch       default:
368d71ae5a4SJacob Faibussowitsch         SETERRQ(PETSC_COMM_SELF, PETSC_ERR_ARG_OUTOFRANGE, "Do not support dimension %" PetscInt_FMT, dim);
369d0c080abSJoseph Pusztay       }
370d0c080abSJoseph Pusztay     }
37163a3b9bcSJacob Faibussowitsch     if (dbg) PetscCall(PetscPrintf(PETSC_COMM_WORLD, "Final %4" PetscInt_FMT " %10.8lf %10.8lf\n", p, r[p * dim + 0], r[p * dim + 1]));
372d0c080abSJoseph Pusztay   }
3739566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArrayRead(U, &u));
3749566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArray(R, &r));
3759566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArray(sol, &velocity));
3769566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecViewFromOptions(R, NULL, "-residual_view"));
3773ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
378d0c080abSJoseph Pusztay }
379d0c080abSJoseph Pusztay 
380d0c080abSJoseph Pusztay /*
381d0c080abSJoseph Pusztay  TS Post Step Function. Copy the solution back into the swarm for migration. We may also need to reform
382d0c080abSJoseph Pusztay  the solution vector in cases of particle migration, but we forgo that here since there is no velocity space grid
383d0c080abSJoseph Pusztay  to migrate between.
384d0c080abSJoseph Pusztay */
385d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode UpdateSwarm(TS ts)
386d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
387d0c080abSJoseph Pusztay   PetscInt           idx, n;
388d0c080abSJoseph Pusztay   const PetscScalar *u;
389d0c080abSJoseph Pusztay   PetscScalar       *velocity;
390d0c080abSJoseph Pusztay   DM                 sw;
391d0c080abSJoseph Pusztay   Vec                sol;
392d0c080abSJoseph Pusztay 
393d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
3949566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(ts, &sw));
3959566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(sw, "velocity", NULL, NULL, (void **)&velocity));
3969566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetSolution(ts, &sol));
3979566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArrayRead(sol, &u));
3989566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetLocalSize(sol, &n));
399d0c080abSJoseph Pusztay   for (idx = 0; idx < n; ++idx) velocity[idx] = u[idx];
4009566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArrayRead(sol, &u));
4019566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(sw, "velocity", NULL, NULL, (void **)&velocity));
4023ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
403d0c080abSJoseph Pusztay }
404d0c080abSJoseph Pusztay 
405d71ae5a4SJacob Faibussowitsch static PetscErrorCode InitializeSolve(TS ts, Vec u)
406d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
407d0c080abSJoseph Pusztay   DM      dm;
408d0c080abSJoseph Pusztay   AppCtx *user;
409d0c080abSJoseph Pusztay 
410d0c080abSJoseph Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
4119566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(ts, &dm));
4129566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetApplicationContext(dm, &user));
4139566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SetInitialCoordinates(dm));
4149566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SetInitialConditions(dm, u));
4153ba16761SJacob Faibussowitsch   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
416d0c080abSJoseph Pusztay }
417d0c080abSJoseph Pusztay 
418d71ae5a4SJacob Faibussowitsch int main(int argc, char **argv)
419d71ae5a4SJacob Faibussowitsch {
420d0c080abSJoseph Pusztay   TS       ts;     /* nonlinear solver */
421d0c080abSJoseph Pusztay   DM       dm, sw; /* Velocity space mesh and Particle Swarm */
422d0c080abSJoseph Pusztay   Vec      u, v;   /* problem vector */
423d0c080abSJoseph Pusztay   MPI_Comm comm;
424d0c080abSJoseph Pusztay   AppCtx   user;
425d0c080abSJoseph Pusztay 
426327415f7SBarry Smith   PetscFunctionBeginUser;
4279566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscInitialize(&argc, &argv, NULL, help));
428d0c080abSJoseph Pusztay   comm = PETSC_COMM_WORLD;
4299566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(ProcessOptions(comm, &user));
430d0c080abSJoseph Pusztay   /* Initialize objects and set initial conditions */
4319566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(CreateMesh(comm, &dm, &user));
4329566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(CreateParticles(dm, &sw, &user));
4339566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetApplicationContext(sw, &user));
4349566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmVectorDefineField(sw, "velocity"));
4359566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSCreate(comm, &ts));
4369566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetDM(ts, sw));
4379566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetMaxTime(ts, 10.0));
4389566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetTimeStep(ts, 0.1));
4399566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetMaxSteps(ts, 1));
4409566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetExactFinalTime(ts, TS_EXACTFINALTIME_MATCHSTEP));
4419566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetRHSFunction(ts, NULL, RHSFunctionParticles, &user));
4429566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetFromOptions(ts));
4439566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetComputeInitialCondition(ts, InitializeSolve));
4449566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmCreateGlobalVectorFromField(sw, "velocity", &v));
4459566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecDuplicate(v, &u));
4469566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmDestroyGlobalVectorFromField(sw, "velocity", &v));
4479566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSComputeInitialCondition(ts, u));
4489566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetPostStep(ts, UpdateSwarm));
4499566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSolve(ts, u));
4509566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecDestroy(&u));
4519566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSDestroy(&ts));
4529566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDestroy(&sw));
4539566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDestroy(&dm));
4549566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFinalize());
455b122ec5aSJacob Faibussowitsch   return 0;
456d0c080abSJoseph Pusztay }
457d0c080abSJoseph Pusztay 
458d0c080abSJoseph Pusztay /*TEST
459d0c080abSJoseph Pusztay    build:
460d0c080abSJoseph Pusztay      requires: triangle !single !complex
461d0c080abSJoseph Pusztay    test:
462d0c080abSJoseph Pusztay      suffix: midpoint
46330602db0SMatthew G. Knepley      args: -N 3 -dm_plex_dim 2 -dm_plex_simplex 0 -dm_plex_box_faces 1,1 -dm_plex_box_lower -1,-1 -dm_plex_box_upper 1,1 -dm_view \
464d0c080abSJoseph Pusztay            -ts_type theta -ts_theta_theta 0.5 -ts_dmswarm_monitor_moments -ts_monitor_frequency 1 -snes_fd
465d0c080abSJoseph Pusztay TEST*/
466