xref: /petsc/src/ts/tutorials/ex32.c (revision 8434afd195968570cfdb5bc7b9cfc0a316d974ae)
1fa9584fbSIlya Fursov static char help[] = "Solves a time-dependent linear PDE with discontinuous right hand side.\n";
2fa9584fbSIlya Fursov 
3fa9584fbSIlya Fursov /* ------------------------------------------------------------------------
4fa9584fbSIlya Fursov 
5fa9584fbSIlya Fursov    This program solves the one-dimensional quench front problem modeling a cooled
6fa9584fbSIlya Fursov    liquid rising on a hot metal rod
7fa9584fbSIlya Fursov        u_t = u_xx + g(u),
8fa9584fbSIlya Fursov    with
9fa9584fbSIlya Fursov        g(u) = -Au if u <= u_c,
10fa9584fbSIlya Fursov             =   0 if u >  u_c
11fa9584fbSIlya Fursov    on the domain 0 <= x <= 1, with the boundary conditions
12fa9584fbSIlya Fursov        u(t,0) = 0, u_x(t,1) = 0,
13fa9584fbSIlya Fursov    and the initial condition
14fa9584fbSIlya Fursov        u(0,x) = 0              if 0 <= x <= 0.1,
15fa9584fbSIlya Fursov               = (x - 0.1)/0.15 if 0.1 < x < 0.25
16fa9584fbSIlya Fursov               = 1              if 0.25 <= x <= 1
17fa9584fbSIlya Fursov    We discretize the right-hand side using finite differences with
18fa9584fbSIlya Fursov    uniform grid spacing h:
19fa9584fbSIlya Fursov        u_xx = (u_{i+1} - 2u_{i} + u_{i-1})/(h^2)
20fa9584fbSIlya Fursov 
21fa9584fbSIlya Fursov Reference: L. Shampine and S. Thompson, "Event Location for Ordinary Differential Equations",
22fa9584fbSIlya Fursov            http://www.radford.edu/~thompson/webddes/eventsweb.pdf
23fa9584fbSIlya Fursov   ------------------------------------------------------------------------- */
24fa9584fbSIlya Fursov 
25fa9584fbSIlya Fursov #include <petscdmda.h>
26fa9584fbSIlya Fursov #include <petscts.h>
27fa9584fbSIlya Fursov /*
28fa9584fbSIlya Fursov    User-defined application context - contains data needed by the
29fa9584fbSIlya Fursov    application-provided call-back routines.
30fa9584fbSIlya Fursov */
31fa9584fbSIlya Fursov typedef struct {
32fa9584fbSIlya Fursov   PetscReal A;
33fa9584fbSIlya Fursov   PetscReal uc;
34fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt *sw;
35fa9584fbSIlya Fursov } AppCtx;
36fa9584fbSIlya Fursov 
37fa9584fbSIlya Fursov PetscErrorCode InitialConditions(Vec U, DM da, AppCtx *app)
38fa9584fbSIlya Fursov {
39fa9584fbSIlya Fursov   Vec          xcoord;
40fa9584fbSIlya Fursov   PetscScalar *x, *u;
41fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt     lsize, M, xs, xm, i;
42fa9584fbSIlya Fursov 
43fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionBeginUser;
44fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMGetCoordinates(da, &xcoord));
45fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da, xcoord, &x));
46fa9584fbSIlya Fursov 
47fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(VecGetLocalSize(U, &lsize));
48fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscMalloc1(lsize, &app->sw));
49fa9584fbSIlya Fursov 
50fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecGetArray(da, U, &u));
51fa9584fbSIlya Fursov 
52fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAGetInfo(da, 0, &M, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0));
53fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAGetCorners(da, &xs, 0, 0, &xm, 0, 0));
54fa9584fbSIlya Fursov 
55fa9584fbSIlya Fursov   for (i = xs; i < xs + xm; i++) {
56fa9584fbSIlya Fursov     if (x[i] <= 0.1) u[i] = 0.;
57fa9584fbSIlya Fursov     else if (x[i] > 0.1 && x[i] < 0.25) u[i] = (x[i] - 0.1) / 0.15;
58fa9584fbSIlya Fursov     else u[i] = 1.0;
59fa9584fbSIlya Fursov 
60fa9584fbSIlya Fursov     app->sw[i - xs] = 1;
61fa9584fbSIlya Fursov   }
62fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da, U, &u));
63fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da, xcoord, &x));
64fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
65fa9584fbSIlya Fursov }
66fa9584fbSIlya Fursov 
67fa9584fbSIlya Fursov PetscErrorCode EventFunction(TS ts, PetscReal t, Vec U, PetscReal *fvalue, void *ctx)
68fa9584fbSIlya Fursov {
69fa9584fbSIlya Fursov   AppCtx            *app = (AppCtx *)ctx;
70fa9584fbSIlya Fursov   const PetscScalar *u;
71fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt           i, lsize;
72fa9584fbSIlya Fursov 
73fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionBeginUser;
74fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(VecGetLocalSize(U, &lsize));
75fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(VecGetArrayRead(U, &u));
76fa9584fbSIlya Fursov   for (i = 0; i < lsize; i++) fvalue[i] = PetscRealPart(u[i]) - app->uc;
77fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(VecRestoreArrayRead(U, &u));
78fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
79fa9584fbSIlya Fursov }
80fa9584fbSIlya Fursov 
81fa9584fbSIlya Fursov PetscErrorCode PostEventFunction(TS ts, PetscInt nevents_zero, PetscInt events_zero[], PetscReal t, Vec U, PetscBool forwardsolve, void *ctx)
82fa9584fbSIlya Fursov {
83fa9584fbSIlya Fursov   AppCtx  *app = (AppCtx *)ctx;
84fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt i, idx;
85fa9584fbSIlya Fursov 
86fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionBeginUser;
87fa9584fbSIlya Fursov   for (i = 0; i < nevents_zero; i++) {
88fa9584fbSIlya Fursov     idx          = events_zero[i];
89fa9584fbSIlya Fursov     app->sw[idx] = 0;
90fa9584fbSIlya Fursov   }
91fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
92fa9584fbSIlya Fursov }
93fa9584fbSIlya Fursov 
94fa9584fbSIlya Fursov /*
95fa9584fbSIlya Fursov      Defines the ODE passed to the ODE solver
96fa9584fbSIlya Fursov */
97fa9584fbSIlya Fursov static PetscErrorCode IFunction(TS ts, PetscReal t, Vec U, Vec Udot, Vec F, void *ctx)
98fa9584fbSIlya Fursov {
99fa9584fbSIlya Fursov   AppCtx            *app = (AppCtx *)ctx;
100fa9584fbSIlya Fursov   PetscScalar       *f;
101fa9584fbSIlya Fursov   const PetscScalar *u, *udot;
102fa9584fbSIlya Fursov   DM                 da;
103fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt           M, xs, xm, i;
104fa9584fbSIlya Fursov   PetscReal          h, h2;
105fa9584fbSIlya Fursov   Vec                Ulocal;
106fa9584fbSIlya Fursov 
107fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionBeginUser;
108fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSGetDM(ts, &da));
109fa9584fbSIlya Fursov 
110fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAGetInfo(da, 0, &M, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0));
111fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAGetCorners(da, &xs, 0, 0, &xm, 0, 0));
112fa9584fbSIlya Fursov 
113fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMGetLocalVector(da, &Ulocal));
114fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMGlobalToLocalBegin(da, U, INSERT_VALUES, Ulocal));
115fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMGlobalToLocalEnd(da, U, INSERT_VALUES, Ulocal));
116fa9584fbSIlya Fursov 
117fa9584fbSIlya Fursov   h  = 1.0 / (M - 1);
118fa9584fbSIlya Fursov   h2 = h * h;
119fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da, Udot, &udot));
120fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecGetArrayRead(da, Ulocal, &u));
121fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecGetArray(da, F, &f));
122fa9584fbSIlya Fursov 
123fa9584fbSIlya Fursov   for (i = xs; i < xs + xm; i++) {
124fa9584fbSIlya Fursov     if (i == 0) {
125fa9584fbSIlya Fursov       f[i] = u[i];
126fa9584fbSIlya Fursov     } else if (i == M - 1) {
127fa9584fbSIlya Fursov       f[i] = (u[i] - u[i - 1]) / h;
128fa9584fbSIlya Fursov     } else {
129fa9584fbSIlya Fursov       f[i] = (u[i + 1] - 2 * u[i] + u[i - 1]) / h2 + app->sw[i - xs] * (-app->A * u[i]) - udot[i];
130fa9584fbSIlya Fursov     }
131fa9584fbSIlya Fursov   }
132fa9584fbSIlya Fursov 
133fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da, Udot, &udot));
134fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecRestoreArrayRead(da, Ulocal, &u));
135fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAVecRestoreArray(da, F, &f));
136fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMRestoreLocalVector(da, &Ulocal));
137fa9584fbSIlya Fursov 
138fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
139fa9584fbSIlya Fursov }
140fa9584fbSIlya Fursov 
141fa9584fbSIlya Fursov /*
142fa9584fbSIlya Fursov      Defines the Jacobian of the ODE passed to the ODE solver. See TSSetIJacobian() for the meaning of a and the Jacobian.
143fa9584fbSIlya Fursov */
144fa9584fbSIlya Fursov static PetscErrorCode IJacobian(TS ts, PetscReal t, Vec U, Vec Udot, PetscReal a, Mat A, Mat B, void *ctx)
145fa9584fbSIlya Fursov {
146fa9584fbSIlya Fursov   AppCtx     *app = (AppCtx *)ctx;
147fa9584fbSIlya Fursov   DM          da;
148fa9584fbSIlya Fursov   MatStencil  row, col[3];
149fa9584fbSIlya Fursov   PetscScalar v[3];
150fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt    M, xs, xm, i;
151fa9584fbSIlya Fursov   PetscReal   h, h2;
152fa9584fbSIlya Fursov 
153fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionBeginUser;
154fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSGetDM(ts, &da));
155fa9584fbSIlya Fursov 
156fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAGetInfo(da, 0, &M, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0));
157fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDAGetCorners(da, &xs, 0, 0, &xm, 0, 0));
158fa9584fbSIlya Fursov 
159fa9584fbSIlya Fursov   h  = 1.0 / (M - 1);
160fa9584fbSIlya Fursov   h2 = h * h;
161fa9584fbSIlya Fursov   for (i = xs; i < xs + xm; i++) {
162fa9584fbSIlya Fursov     row.i = i;
163fa9584fbSIlya Fursov     if (i == 0) {
164fa9584fbSIlya Fursov       v[0] = 1.0;
165fa9584fbSIlya Fursov       PetscCall(MatSetValuesStencil(A, 1, &row, 1, &row, v, INSERT_VALUES));
166fa9584fbSIlya Fursov     } else if (i == M - 1) {
167fa9584fbSIlya Fursov       col[0].i = i;
168fa9584fbSIlya Fursov       v[0]     = 1 / h;
169fa9584fbSIlya Fursov       col[1].i = i - 1;
170fa9584fbSIlya Fursov       v[1]     = -1 / h;
171fa9584fbSIlya Fursov       PetscCall(MatSetValuesStencil(A, 1, &row, 2, col, v, INSERT_VALUES));
172fa9584fbSIlya Fursov     } else {
173fa9584fbSIlya Fursov       col[0].i = i + 1;
174fa9584fbSIlya Fursov       v[0]     = 1 / h2;
175fa9584fbSIlya Fursov       col[1].i = i;
176fa9584fbSIlya Fursov       v[1]     = -2 / h2 + app->sw[i - xs] * (-app->A) - a;
177fa9584fbSIlya Fursov       col[2].i = i - 1;
178fa9584fbSIlya Fursov       v[2]     = 1 / h2;
179fa9584fbSIlya Fursov       PetscCall(MatSetValuesStencil(A, 1, &row, 3, col, v, INSERT_VALUES));
180fa9584fbSIlya Fursov     }
181fa9584fbSIlya Fursov   }
182fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(MatAssemblyBegin(A, MAT_FINAL_ASSEMBLY));
183fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(MatAssemblyEnd(A, MAT_FINAL_ASSEMBLY));
184fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionReturn(PETSC_SUCCESS);
185fa9584fbSIlya Fursov }
186fa9584fbSIlya Fursov 
187fa9584fbSIlya Fursov int main(int argc, char **argv)
188fa9584fbSIlya Fursov {
189fa9584fbSIlya Fursov   TS       ts; /* ODE integrator */
190fa9584fbSIlya Fursov   Vec      U;  /* solution will be stored here */
191fa9584fbSIlya Fursov   Mat      J;  /* Jacobian matrix */
192fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt n = 16;
193fa9584fbSIlya Fursov   AppCtx   app;
194fa9584fbSIlya Fursov   DM       da;
195fa9584fbSIlya Fursov 
196fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
197fa9584fbSIlya Fursov      Initialize program
198fa9584fbSIlya Fursov      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
199fa9584fbSIlya Fursov   PetscFunctionBeginUser;
200fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscInitialize(&argc, &argv, (char *)0, help));
201fa9584fbSIlya Fursov 
202fa9584fbSIlya Fursov   PetscOptionsBegin(PETSC_COMM_WORLD, NULL, "ex22 options", "");
203fa9584fbSIlya Fursov   {
204fa9584fbSIlya Fursov     app.A = 200000;
205fa9584fbSIlya Fursov     PetscCall(PetscOptionsReal("-A", "", "", app.A, &app.A, NULL));
206fa9584fbSIlya Fursov     app.uc = 0.5;
207fa9584fbSIlya Fursov     PetscCall(PetscOptionsReal("-uc", "", "", app.uc, &app.uc, NULL));
208fa9584fbSIlya Fursov   }
209fa9584fbSIlya Fursov   PetscOptionsEnd();
210fa9584fbSIlya Fursov 
211fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDACreate1d(PETSC_COMM_WORLD, DM_BOUNDARY_NONE, -n, 1, 1, 0, &da));
212fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMSetFromOptions(da));
213fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMSetUp(da));
214fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDASetUniformCoordinates(da, 0.0, 1.0, 0, 0, 0, 0));
215fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
216fa9584fbSIlya Fursov     Create necessary matrix and vectors
217fa9584fbSIlya Fursov     - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
218fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMCreateMatrix(da, &J));
219fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMCreateGlobalVector(da, &U));
220fa9584fbSIlya Fursov 
221fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(InitialConditions(U, da, &app));
222fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
223fa9584fbSIlya Fursov      Create timestepping solver context
224fa9584fbSIlya Fursov      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
225fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSCreate(PETSC_COMM_WORLD, &ts));
226fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetProblemType(ts, TS_NONLINEAR));
227fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetType(ts, TSROSW));
228*8434afd1SBarry Smith   PetscCall(TSSetIFunction(ts, NULL, (TSIFunctionFn *)IFunction, (void *)&app));
229*8434afd1SBarry Smith   PetscCall(TSSetIJacobian(ts, J, J, (TSIJacobianFn *)IJacobian, (void *)&app));
230fa9584fbSIlya Fursov 
231fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
232fa9584fbSIlya Fursov      Set initial conditions
233fa9584fbSIlya Fursov    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
234fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetSolution(ts, U));
235fa9584fbSIlya Fursov 
236fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetDM(ts, da));
237fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
238fa9584fbSIlya Fursov      Set solver options
239fa9584fbSIlya Fursov    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
240fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetTimeStep(ts, 0.1));
241fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetMaxTime(ts, 30.0));
242fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetExactFinalTime(ts, TS_EXACTFINALTIME_STEPOVER));
243fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetFromOptions(ts));
244fa9584fbSIlya Fursov 
245fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt lsize;
246fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(VecGetLocalSize(U, &lsize));
247fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt  *direction;
248fa9584fbSIlya Fursov   PetscBool *terminate;
249fa9584fbSIlya Fursov   PetscInt   i;
250fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscMalloc1(lsize, &direction));
251fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscMalloc1(lsize, &terminate));
252fa9584fbSIlya Fursov   for (i = 0; i < lsize; i++) {
253fa9584fbSIlya Fursov     direction[i] = -1;
254fa9584fbSIlya Fursov     terminate[i] = PETSC_FALSE;
255fa9584fbSIlya Fursov   }
256fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSetEventHandler(ts, lsize, direction, terminate, EventFunction, PostEventFunction, (void *)&app));
257fa9584fbSIlya Fursov 
258fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
259fa9584fbSIlya Fursov      Run timestepping solver
260fa9584fbSIlya Fursov      - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
261fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSSolve(ts, U));
262fa9584fbSIlya Fursov 
263fa9584fbSIlya Fursov   /* - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
264fa9584fbSIlya Fursov      Free work space.  All PETSc objects should be destroyed when they are no longer needed.
265fa9584fbSIlya Fursov    - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - */
266fa9584fbSIlya Fursov 
267fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(MatDestroy(&J));
268fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(VecDestroy(&U));
269fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(DMDestroy(&da));
270fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(TSDestroy(&ts));
271fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscFree(direction));
272fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscFree(terminate));
273fa9584fbSIlya Fursov 
274fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscFree(app.sw));
275fa9584fbSIlya Fursov   PetscCall(PetscFinalize());
276fa9584fbSIlya Fursov   return 0;
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