xref: /petsc/src/ts/tutorials/hamiltonian/ex2.c (revision 48a46eb9bd028bec07ec0f396b1a3abb43f14558)
1b80bf5b1SJoe Pusztay static char help[] = "Two stream instability from Birdsal and Langdon with DMSwarm and TS basic symplectic integrators\n";
2b80bf5b1SJoe Pusztay 
3b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscdmplex.h>
4b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscfe.h>
5b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscdmswarm.h>
6b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscds.h>
7b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscksp.h>
8b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petsc/private/petscfeimpl.h>
9b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petsc/private/tsimpl.h>
10b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscts.h>
11b80bf5b1SJoe Pusztay #include <petscmath.h>
12b80bf5b1SJoe Pusztay 
13b80bf5b1SJoe Pusztay typedef struct {
14b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt  dim;                              /* The topological mesh dimension */
15b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscBool simplex;                          /* Flag for simplices or tensor cells */
16b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscBool bdm;                              /* Flag for mixed form poisson */
17b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscBool monitor;                          /* Flag for use of the TS monitor */
18b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscBool uniform;                          /* Flag to uniformly space particles in x */
19b80bf5b1SJoe Pusztay   char      meshFilename[PETSC_MAX_PATH_LEN]; /* Name of the mesh filename if any */
20b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal sigma;                            /* Linear charge per box length */
21b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal timeScale;                        /* Nondimensionalizing time scaling */
22b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt  particlesPerCell;                 /* The number of partices per cell */
23b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal particleRelDx;                    /* Relative particle position perturbation compared to average cell diameter h */
24b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt  k;                                /* Mode number for test function */
25b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal momentTol;                        /* Tolerance for checking moment conservation */
26b80bf5b1SJoe Pusztay   SNES      snes;                             /* SNES object */
27b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt  steps;                            /* TS iterations */
28b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal stepSize;                         /* Time stepper step size */
29b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscErrorCode (*func)(PetscInt, PetscReal, const PetscReal[], PetscInt, PetscScalar *, void *);
30b80bf5b1SJoe Pusztay } AppCtx;
31b80bf5b1SJoe Pusztay 
329371c9d4SSatish Balay static PetscErrorCode ProcessOptions(MPI_Comm comm, AppCtx *options) {
33b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
34b80bf5b1SJoe Pusztay   options->dim              = 2;
35b80bf5b1SJoe Pusztay   options->simplex          = PETSC_TRUE;
36b80bf5b1SJoe Pusztay   options->monitor          = PETSC_TRUE;
37b80bf5b1SJoe Pusztay   options->particlesPerCell = 1;
38b80bf5b1SJoe Pusztay   options->k                = 1;
39b80bf5b1SJoe Pusztay   options->particleRelDx    = 1.e-20;
40b80bf5b1SJoe Pusztay   options->momentTol        = 100. * PETSC_MACHINE_EPSILON;
41b80bf5b1SJoe Pusztay   options->sigma            = 1.;
42b80bf5b1SJoe Pusztay   options->timeScale        = 1.0e-6;
43b80bf5b1SJoe Pusztay   options->uniform          = PETSC_FALSE;
44b80bf5b1SJoe Pusztay   options->steps            = 1;
45b80bf5b1SJoe Pusztay   options->stepSize         = 0.01;
46b80bf5b1SJoe Pusztay   options->bdm              = PETSC_FALSE;
47b80bf5b1SJoe Pusztay 
48d0609cedSBarry Smith   PetscOptionsBegin(comm, "", "Two Stream options", "DMPLEX");
499566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscStrcpy(options->meshFilename, ""));
509566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsInt("-dim", "The topological mesh dimension", "ex2.c", options->dim, &options->dim, NULL));
519566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsInt("-steps", "TS steps to take", "ex2.c", options->steps, &options->steps, NULL));
529566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsBool("-monitor", "To use the TS monitor or not", "ex2.c", options->monitor, &options->monitor, NULL));
539566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsBool("-simplex", "The flag for simplices or tensor cells", "ex2.c", options->simplex, &options->simplex, NULL));
549566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsBool("-uniform", "Uniform particle spacing", "ex2.c", options->uniform, &options->uniform, NULL));
559566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsBool("-bdm", "Use H1 instead of C0", "ex2.c", options->bdm, &options->bdm, NULL));
569566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsString("-mesh", "Name of the mesh filename if any", "ex2.c", options->meshFilename, options->meshFilename, PETSC_MAX_PATH_LEN, NULL));
579566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsInt("-k", "Mode number of test", "ex5.c", options->k, &options->k, NULL));
589566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsInt("-particlesPerCell", "Number of particles per cell", "ex2.c", options->particlesPerCell, &options->particlesPerCell, NULL));
599566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-sigma", "parameter", "<1>", options->sigma, &options->sigma, PETSC_NULL));
609566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-stepSize", "parameter", "<1e-2>", options->stepSize, &options->stepSize, PETSC_NULL));
619566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-timeScale", "parameter", "<1>", options->timeScale, &options->timeScale, PETSC_NULL));
629566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscOptionsReal("-particle_perturbation", "Relative perturbation of particles (0,1)", "ex2.c", options->particleRelDx, &options->particleRelDx, NULL));
63d0609cedSBarry Smith   PetscOptionsEnd();
64b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionReturn(0);
65b80bf5b1SJoe Pusztay }
66b80bf5b1SJoe Pusztay 
679371c9d4SSatish Balay static PetscErrorCode CreateMesh(MPI_Comm comm, DM *dm, AppCtx *user) {
68b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
699566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreate(comm, dm));
709566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetType(*dm, DMPLEX));
719566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetFromOptions(*dm));
729566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMViewFromOptions(*dm, NULL, "-dm_view"));
73b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionReturn(0);
74b80bf5b1SJoe Pusztay }
75b80bf5b1SJoe Pusztay 
769371c9d4SSatish Balay static void laplacian_f1(PetscInt dim, PetscInt Nf, PetscInt NfAux, const PetscInt uOff[], const PetscInt uOff_x[], const PetscScalar u[], const PetscScalar u_t[], const PetscScalar u_x[], const PetscInt aOff[], const PetscInt aOff_x[], const PetscScalar a[], const PetscScalar a_t[], const PetscScalar a_x[], PetscReal t, const PetscReal x[], PetscInt numConstants, const PetscScalar constants[], PetscScalar f1[]) {
77b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt d;
78b80bf5b1SJoe Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) { f1[d] = u_x[d]; }
79b80bf5b1SJoe Pusztay }
80b80bf5b1SJoe Pusztay 
819371c9d4SSatish Balay static void laplacian(PetscInt dim, PetscInt Nf, PetscInt NfAux, const PetscInt uOff[], const PetscInt uOff_x[], const PetscScalar u[], const PetscScalar u_t[], const PetscScalar u_x[], const PetscInt aOff[], const PetscInt aOff_x[], const PetscScalar a[], const PetscScalar a_t[], const PetscScalar a_x[], PetscReal t, PetscReal u_tShift, const PetscReal x[], PetscInt numConstants, const PetscScalar constants[], PetscScalar g3[]) {
82b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt d;
83b80bf5b1SJoe Pusztay   for (d = 0; d < dim; ++d) { g3[d * dim + d] = 1.0; }
84b80bf5b1SJoe Pusztay }
85b80bf5b1SJoe Pusztay 
869371c9d4SSatish Balay static PetscErrorCode CreateFEM(DM dm, AppCtx *user) {
87b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFE        fe;
88b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscDS        ds;
89b80bf5b1SJoe Pusztay   DMPolytopeType ct;
90b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscBool      simplex;
91b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt       dim, cStart;
92b80bf5b1SJoe Pusztay 
93b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
949566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(dm, &dim));
959566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetHeightStratum(dm, 0, &cStart, NULL));
969566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetCellType(dm, cStart, &ct));
97b80bf5b1SJoe Pusztay   simplex = DMPolytopeTypeGetNumVertices(ct) == DMPolytopeTypeGetDim(ct) + 1 ? PETSC_TRUE : PETSC_FALSE;
989566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFECreateDefault(PetscObjectComm((PetscObject)dm), dim, 1, simplex, NULL, -1, &fe));
999566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscObjectSetName((PetscObject)fe, "potential"));
1009566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetField(dm, 0, NULL, (PetscObject)fe));
1019566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreateDS(dm));
1029566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFEDestroy(&fe));
1039566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDS(dm, &ds));
1049566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscDSSetResidual(ds, 0, NULL, laplacian_f1));
1059566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscDSSetJacobian(ds, 0, 0, NULL, NULL, NULL, laplacian));
106b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionReturn(0);
107b80bf5b1SJoe Pusztay }
108b80bf5b1SJoe Pusztay 
109b80bf5b1SJoe Pusztay /*
110b80bf5b1SJoe Pusztay   Initialize particle coordinates uniformly and with opposing velocities
111b80bf5b1SJoe Pusztay */
1129371c9d4SSatish Balay static PetscErrorCode CreateParticles(DM dm, DM *sw, AppCtx *user) {
113b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscRandom rnd, rndp;
114b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal   interval = user->particleRelDx;
115b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscScalar value, *vals;
116b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal  *centroid, *coords, *xi0, *v0, *J, *invJ, detJ, *initialConditions, normalized_vel;
117b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt   *cellid, cStart;
118b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt    Ncell, Np = user->particlesPerCell, p, c, dim, d;
119b80bf5b1SJoe Pusztay 
120b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
1219566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(dm, &dim));
1229566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreate(PetscObjectComm((PetscObject)dm), sw));
1239566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetType(*sw, DMSWARM));
1249566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetDimension(*sw, dim));
1259566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomCreate(PetscObjectComm((PetscObject)dm), &rnd));
1269566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetInterval(rnd, 0.0, 1.0));
1279566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetFromOptions(rnd));
1289566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomCreate(PetscObjectComm((PetscObject)dm), &rndp));
1299566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetInterval(rndp, -interval, interval));
1309566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomSetFromOptions(rndp));
1319566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSetType(*sw, DMSWARM_PIC));
1329566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSetCellDM(*sw, dm));
1339566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRegisterPetscDatatypeField(*sw, "w_q", 1, PETSC_SCALAR));
1349566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRegisterPetscDatatypeField(*sw, "kinematics", dim, PETSC_REAL));
1359566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmFinalizeFieldRegister(*sw));
1369566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetHeightStratum(dm, 0, &cStart, &Ncell));
1379566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSetLocalSizes(*sw, Ncell * Np, 0));
1389566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSetFromOptions(*sw));
1399566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(*sw, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coords));
1409566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(*sw, DMSwarmPICField_cellid, NULL, NULL, (void **)&cellid));
1419566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(*sw, "w_q", NULL, NULL, (void **)&vals));
1429566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(*sw, "kinematics", NULL, NULL, (void **)&initialConditions));
1439566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscMalloc5(dim, &centroid, dim, &xi0, dim, &v0, dim * dim, &J, dim * dim, &invJ));
144b80bf5b1SJoe Pusztay   for (c = cStart; c < Ncell; c++) {
145b80bf5b1SJoe Pusztay     if (Np == 1) {
1469566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMPlexComputeCellGeometryFVM(dm, c, NULL, centroid, NULL));
147b80bf5b1SJoe Pusztay       cellid[c] = c;
148b80bf5b1SJoe Pusztay       for (d = 0; d < dim; ++d) coords[c * dim + d] = centroid[d];
149b80bf5b1SJoe Pusztay     } else {
150b80bf5b1SJoe Pusztay       for (d = 0; d < dim; ++d) xi0[d] = -1.0;
1519566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMPlexComputeCellGeometryFEM(dm, c, NULL, v0, J, invJ, &detJ)); /* affine */
152b80bf5b1SJoe Pusztay       for (p = 0; p < Np; ++p) {
153b80bf5b1SJoe Pusztay         const PetscInt n = c * Np + p;
154b80bf5b1SJoe Pusztay         PetscReal      refcoords[3], spacing;
155b80bf5b1SJoe Pusztay 
156b80bf5b1SJoe Pusztay         cellid[n] = c;
157b80bf5b1SJoe Pusztay         if (user->uniform) {
158b80bf5b1SJoe Pusztay           spacing = 2. / Np;
1599566063dSJacob Faibussowitsch           PetscCall(PetscRandomGetValue(rnd, &value));
160b80bf5b1SJoe Pusztay           for (d = 0; d < dim; ++d) refcoords[d] = d == 0 ? -1. + spacing / 2. + p * spacing + value / 100. : 0.;
1619371c9d4SSatish Balay         } else {
1629371c9d4SSatish Balay           for (d = 0; d < dim; ++d) {
1639371c9d4SSatish Balay             PetscCall(PetscRandomGetValue(rnd, &value));
1649371c9d4SSatish Balay             refcoords[d] = d == 0 ? PetscRealPart(value) : 0.;
165b80bf5b1SJoe Pusztay           }
166b80bf5b1SJoe Pusztay         }
167b80bf5b1SJoe Pusztay         CoordinatesRefToReal(dim, dim, xi0, v0, J, refcoords, &coords[n * dim]);
168b80bf5b1SJoe Pusztay         /* constant particle weights */
169b80bf5b1SJoe Pusztay         for (d = 0; d < dim; ++d) vals[n] = user->sigma / Np;
170b80bf5b1SJoe Pusztay       }
171b80bf5b1SJoe Pusztay     }
172b80bf5b1SJoe Pusztay   }
1739566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFree5(centroid, xi0, v0, J, invJ));
174b80bf5b1SJoe Pusztay   normalized_vel = 1.;
175b80bf5b1SJoe Pusztay   for (c = 0; c < Ncell; ++c) {
176b80bf5b1SJoe Pusztay     for (p = 0; p < Np; ++p) {
177b80bf5b1SJoe Pusztay       if (p % 2 == 0) {
178b80bf5b1SJoe Pusztay         for (d = 0; d < dim; ++d) initialConditions[(c * Np + p) * dim + d] = d == 0 ? normalized_vel : 0.;
1799371c9d4SSatish Balay       } else {
180b80bf5b1SJoe Pusztay         for (d = 0; d < dim; ++d) initialConditions[(c * Np + p) * dim + d] = d == 0 ? -(normalized_vel) : 0.;
181b80bf5b1SJoe Pusztay       }
182b80bf5b1SJoe Pusztay     }
183b80bf5b1SJoe Pusztay   }
1849566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(*sw, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coords));
1859566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(*sw, DMSwarmPICField_cellid, NULL, NULL, (void **)&cellid));
1869566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(*sw, "w_q", NULL, NULL, (void **)&vals));
1879566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(*sw, "kinematics", NULL, NULL, (void **)&initialConditions));
1889566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomDestroy(&rnd));
1899566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscRandomDestroy(&rndp));
1909566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscObjectSetName((PetscObject)*sw, "Particles"));
1919566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMViewFromOptions(*sw, NULL, "-sw_view"));
1929566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMLocalizeCoordinates(*sw));
193b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionReturn(0);
194b80bf5b1SJoe Pusztay }
195b80bf5b1SJoe Pusztay 
196b80bf5b1SJoe Pusztay /* Solve for particle position updates */
1979371c9d4SSatish Balay static PetscErrorCode RHSFunction1(TS ts, PetscReal t, Vec V, Vec Posres, void *ctx) {
198b80bf5b1SJoe Pusztay   const PetscScalar *v;
199b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscScalar       *posres;
200b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt           Np, p, dim, d;
201b80bf5b1SJoe Pusztay   DM                 dm;
202b80bf5b1SJoe Pusztay 
203b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
2049566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetLocalSize(Posres, &Np));
2059566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArray(Posres, &posres));
2069566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArrayRead(V, &v));
2079566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(ts, &dm));
2089566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(dm, &dim));
209b80bf5b1SJoe Pusztay   Np /= dim;
210b80bf5b1SJoe Pusztay   for (p = 0; p < Np; ++p) {
2119371c9d4SSatish Balay     for (d = 0; d < dim; ++d) { posres[p * dim + d] = v[p * dim + d]; }
212b80bf5b1SJoe Pusztay   }
2139566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArrayRead(V, &v));
2149566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArray(Posres, &posres));
215b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionReturn(0);
216b80bf5b1SJoe Pusztay }
217b80bf5b1SJoe Pusztay 
218b80bf5b1SJoe Pusztay /*
219b80bf5b1SJoe Pusztay   Solve for the gradient of the electric field and apply force to particles.
220b80bf5b1SJoe Pusztay  */
2219371c9d4SSatish Balay static PetscErrorCode RHSFunction2(TS ts, PetscReal t, Vec X, Vec Vres, void *ctx) {
222b80bf5b1SJoe Pusztay   AppCtx            *user = (AppCtx *)ctx;
223b80bf5b1SJoe Pusztay   DM                 dm, plex;
224b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscDS            prob;
225b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFE            fe;
226b80bf5b1SJoe Pusztay   Mat                M_p;
227b80bf5b1SJoe Pusztay   Vec                phi, locPhi, rho, f;
228b80bf5b1SJoe Pusztay   const PetscScalar *x;
229b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscScalar       *vres;
230b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal         *coords, phi_0;
231b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt           dim, d, cStart, cEnd, cell, cdim;
232b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal          m_e = 9.11e-31, q_e = 1.60e-19, epsi_0 = 8.85e-12;
233b80bf5b1SJoe Pusztay 
234b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionBeginUser;
235b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscObjectSetName((PetscObject)X, "rhsf2 position");
236b80bf5b1SJoe Pusztay   VecViewFromOptions(X, NULL, "-rhsf2_x_view");
2379566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArrayRead(X, &x));
2389566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecGetArray(Vres, &vres));
2399566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSGetDM(ts, &dm));
2409566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDimension(dm, &dim));
2419566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SNESGetDM(user->snes, &plex));
2429566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetCoordinateDim(plex, &cdim));
2439566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetDS(plex, &prob));
2449566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscDSGetDiscretization(prob, 0, (PetscObject *)&fe));
2459566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetGlobalVector(plex, &phi));
2469566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetLocalVector(plex, &locPhi));
2479566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMCreateMassMatrix(dm, plex, &M_p));
2489566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatViewFromOptions(M_p, NULL, "-mp_view"));
2499566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGetGlobalVector(plex, &rho));
2509566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmCreateGlobalVectorFromField(dm, "w_q", &f));
2519566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscObjectSetName((PetscObject)f, "weights vector"));
2529566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecViewFromOptions(f, NULL, "-weights_view"));
2539566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatMultTranspose(M_p, f, rho));
2549566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmDestroyGlobalVectorFromField(dm, "w_q", &f));
2559566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscObjectSetName((PetscObject)rho, "rho"));
2569566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecViewFromOptions(rho, NULL, "-poisson_rho_view"));
257b80bf5b1SJoe Pusztay   /* Take nullspace out of rhs */
258b80bf5b1SJoe Pusztay   {
259b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscScalar sum;
260b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscInt    n;
261b80bf5b1SJoe Pusztay     phi_0 = (user->sigma * user->sigma * user->sigma) * (user->timeScale * user->timeScale) / (m_e * q_e * epsi_0);
262b80bf5b1SJoe Pusztay 
2639566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecGetSize(rho, &n));
2649566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecSum(rho, &sum));
2659566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecShift(rho, -sum / n));
266b80bf5b1SJoe Pusztay 
2679566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecSum(rho, &sum));
26863a3b9bcSJacob Faibussowitsch     PetscCheck(PetscAbsScalar(sum) <= 1.0e-10, PETSC_COMM_SELF, PETSC_ERR_PLIB, "Charge should have no DC component %g", (double)PetscAbsScalar(sum));
2699566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecScale(rho, phi_0));
270b80bf5b1SJoe Pusztay   }
2719566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecSet(phi, 0.0));
2729566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SNESSolve(user->snes, rho, phi));
2739566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecViewFromOptions(phi, NULL, "-phi_view"));
2749566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMRestoreGlobalVector(plex, &rho));
2759566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(MatDestroy(&M_p));
2769566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalBegin(plex, phi, INSERT_VALUES, locPhi));
2779566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMGlobalToLocalEnd(plex, phi, INSERT_VALUES, locPhi));
2789566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSortGetAccess(dm));
2799566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmGetField(dm, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coords));
2809566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexGetHeightStratum(plex, 0, &cStart, &cEnd));
281b80bf5b1SJoe Pusztay   for (cell = cStart; cell < cEnd; ++cell) {
282b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscTabulation tab;
283b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscReal       v[3], J[9], invJ[9], detJ;
284b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscScalar    *ph       = PETSC_NULL;
285b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscReal      *pcoord   = PETSC_NULL;
286b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscReal      *refcoord = PETSC_NULL;
287b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscInt       *points   = PETSC_NULL, Ncp, cp;
288b80bf5b1SJoe Pusztay     PetscScalar     gradPhi[3];
289b80bf5b1SJoe Pusztay 
2909566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMPlexComputeCellGeometryFEM(plex, cell, NULL, v, J, invJ, &detJ));
2919566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMSwarmSortGetPointsPerCell(dm, cell, &Ncp, &points));
2929566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMGetWorkArray(dm, Ncp * cdim, MPIU_REAL, &pcoord));
2939566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMGetWorkArray(dm, Ncp * cdim, MPIU_REAL, &refcoord));
294b80bf5b1SJoe Pusztay     for (cp = 0; cp < Ncp; ++cp) {
2959371c9d4SSatish Balay       for (d = 0; d < cdim; ++d) { pcoord[cp * cdim + d] = coords[points[cp] * cdim + d]; }
296b80bf5b1SJoe Pusztay     }
2979566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMPlexCoordinatesToReference(plex, cell, Ncp, pcoord, refcoord));
2989566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscFECreateTabulation(fe, 1, Ncp, refcoord, 1, &tab));
2999566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMPlexVecGetClosure(plex, NULL, locPhi, cell, NULL, &ph));
300b80bf5b1SJoe Pusztay     for (cp = 0; cp < Ncp; ++cp) {
301b80bf5b1SJoe Pusztay       const PetscInt p          = points[cp];
302b80bf5b1SJoe Pusztay       gradPhi[0]                = 0.0;
303b80bf5b1SJoe Pusztay       gradPhi[1]                = 0.0;
304b80bf5b1SJoe Pusztay       gradPhi[2]                = 0.0;
305b80bf5b1SJoe Pusztay       const PetscReal *basisDer = tab->T[1];
306b80bf5b1SJoe Pusztay 
3079566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(PetscFEFreeInterpolateGradient_Static(fe, basisDer, ph, cdim, invJ, NULL, cp, gradPhi));
3089371c9d4SSatish Balay       for (d = 0; d < cdim; ++d) { vres[p * cdim + d] = d == 0 ? gradPhi[d] : 0.; }
309b80bf5b1SJoe Pusztay     }
3109566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMPlexVecRestoreClosure(plex, NULL, locPhi, cell, NULL, &ph));
3119566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscTabulationDestroy(&tab));
3129566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMRestoreWorkArray(dm, Ncp * cdim, MPIU_REAL, &pcoord));
3139566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMRestoreWorkArray(dm, Ncp * cdim, MPIU_REAL, &refcoord));
3149566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscFree(points));
315b80bf5b1SJoe Pusztay   }
3169566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmRestoreField(dm, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coords));
3179566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMSwarmSortRestoreAccess(dm));
3189566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMRestoreLocalVector(plex, &locPhi));
3199566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMRestoreGlobalVector(plex, &phi));
3209566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArray(Vres, &vres));
3219566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecRestoreArrayRead(X, &x));
3229566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(VecViewFromOptions(Vres, NULL, "-vel_res_view"));
323b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscFunctionReturn(0);
324b80bf5b1SJoe Pusztay }
325b80bf5b1SJoe Pusztay 
3269371c9d4SSatish Balay int main(int argc, char **argv) {
327b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt           i, par;
328b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscInt           locSize, p, d, dim, Np, step, *idx1, *idx2;
329b80bf5b1SJoe Pusztay   TS                 ts;
330b80bf5b1SJoe Pusztay   DM                 dm, sw;
331b80bf5b1SJoe Pusztay   AppCtx             user;
332b80bf5b1SJoe Pusztay   MPI_Comm           comm;
333b80bf5b1SJoe Pusztay   Vec                coorVec, kinVec, probVec, solution, position, momentum;
334b80bf5b1SJoe Pusztay   const PetscScalar *coorArr, *kinArr;
335b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal          ftime = 10., *probArr, *probVecArr;
336b80bf5b1SJoe Pusztay   IS                 is1, is2;
337b80bf5b1SJoe Pusztay   PetscReal         *coor, *kin, *pos, *mom;
338b80bf5b1SJoe Pusztay 
339327415f7SBarry Smith   PetscFunctionBeginUser;
3409566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscInitialize(&argc, &argv, NULL, help));
341b80bf5b1SJoe Pusztay   comm = PETSC_COMM_WORLD;
3429566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(ProcessOptions(comm, &user));
343b80bf5b1SJoe Pusztay   /* Create dm and particles */
3449566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(CreateMesh(comm, &dm, &user));
3459566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(CreateFEM(dm, &user));
3469566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(CreateParticles(dm, &sw, &user));
3479566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SNESCreate(comm, &user.snes));
3489566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SNESSetDM(user.snes, dm));
3499566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMPlexSetSNESLocalFEM(dm, &user, &user, &user));
3509566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SNESSetFromOptions(user.snes));
351b80bf5b1SJoe Pusztay   {
352b80bf5b1SJoe Pusztay     Mat          J;
353b80bf5b1SJoe Pusztay     MatNullSpace nullSpace;
354b80bf5b1SJoe Pusztay 
3559566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMCreateMatrix(dm, &J));
3569566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatNullSpaceCreate(PetscObjectComm((PetscObject)dm), PETSC_TRUE, 0, NULL, &nullSpace));
3579566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatSetNullSpace(J, nullSpace));
3589566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatNullSpaceDestroy(&nullSpace));
3599566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(SNESSetJacobian(user.snes, J, J, NULL, NULL));
3609566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(MatDestroy(&J));
361b80bf5b1SJoe Pusztay   }
362b80bf5b1SJoe Pusztay   /* Place TSSolve in a loop to handle resetting the TS at every manual call of TSStep() */
3639566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSCreate(comm, &ts));
3649566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetMaxTime(ts, ftime));
3659566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetTimeStep(ts, user.stepSize));
3669566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetMaxSteps(ts, 100000));
3679566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSSetExactFinalTime(ts, TS_EXACTFINALTIME_MATCHSTEP));
368b80bf5b1SJoe Pusztay   for (step = 0; step < user.steps; ++step) {
3699566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMSwarmCreateGlobalVectorFromField(sw, "kinematics", &kinVec));
3709566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMSwarmCreateGlobalVectorFromField(sw, DMSwarmPICField_coor, &coorVec));
3719566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecViewFromOptions(kinVec, NULL, "-ic_vec_view"));
3729566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMGetDimension(sw, &dim));
3739566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecGetLocalSize(kinVec, &locSize));
3749566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscMalloc1(locSize, &idx1));
3759566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscMalloc1(locSize, &idx2));
3769566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscMalloc1(2 * locSize, &probArr));
377b80bf5b1SJoe Pusztay     Np = locSize / dim;
3789566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecGetArrayRead(kinVec, &kinArr));
3799566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecGetArrayRead(coorVec, &coorArr));
380b80bf5b1SJoe Pusztay     for (p = 0; p < Np; ++p) {
381b80bf5b1SJoe Pusztay       for (d = 0; d < dim; ++d) {
382b80bf5b1SJoe Pusztay         probArr[p * 2 * dim + d]       = coorArr[p * dim + d];
383b80bf5b1SJoe Pusztay         probArr[(p * 2 + 1) * dim + d] = kinArr[p * dim + d];
384b80bf5b1SJoe Pusztay       }
385b80bf5b1SJoe Pusztay     }
3869566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecRestoreArrayRead(kinVec, &kinArr));
3879566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecRestoreArrayRead(coorVec, &coorArr));
388b80bf5b1SJoe Pusztay     /* Allocate for IS Strides that will contain x, y and vx, vy */
389b80bf5b1SJoe Pusztay     for (p = 0; p < Np; ++p) {
390b80bf5b1SJoe Pusztay       for (d = 0; d < dim; ++d) {
391b80bf5b1SJoe Pusztay         idx1[p * dim + d] = (p * 2 + 0) * dim + d;
392b80bf5b1SJoe Pusztay         idx2[p * dim + d] = (p * 2 + 1) * dim + d;
393b80bf5b1SJoe Pusztay       }
394b80bf5b1SJoe Pusztay     }
395b80bf5b1SJoe Pusztay 
3969566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(ISCreateGeneral(comm, locSize, idx1, PETSC_OWN_POINTER, &is1));
3979566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(ISCreateGeneral(comm, locSize, idx2, PETSC_OWN_POINTER, &is2));
398b80bf5b1SJoe Pusztay     /* DM needs to be set before splits so it propogates to sub TSs */
3999566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetDM(ts, sw));
4009566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetType(ts, TSBASICSYMPLECTIC));
4019566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSRHSSplitSetIS(ts, "position", is1));
4029566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSRHSSplitSetIS(ts, "momentum", is2));
4039566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSRHSSplitSetRHSFunction(ts, "position", NULL, RHSFunction1, &user));
4049566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSRHSSplitSetRHSFunction(ts, "momentum", NULL, RHSFunction2, &user));
4059566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetTime(ts, step * user.stepSize));
406*48a46eb9SPierre Jolivet     if (step == 0) PetscCall(TSSetFromOptions(ts));
407b80bf5b1SJoe Pusztay     /* Compose vector from array for TS solve with all kinematic variables */
4089566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecCreate(comm, &probVec));
4099566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecSetBlockSize(probVec, 1));
4109566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecSetSizes(probVec, PETSC_DECIDE, 2 * locSize));
4119566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecSetUp(probVec));
4129566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecGetArray(probVec, &probVecArr));
4135f80ce2aSJacob Faibussowitsch     for (i = 0; i < 2 * locSize; ++i) probVecArr[i] = probArr[i];
4149566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecRestoreArray(probVec, &probVecArr));
4159566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSSetSolution(ts, probVec));
4169566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(PetscFree(probArr));
4179566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecViewFromOptions(kinVec, NULL, "-ic_view"));
4189566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMSwarmDestroyGlobalVectorFromField(sw, "kinematics", &kinVec));
4199566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMSwarmDestroyGlobalVectorFromField(sw, DMSwarmPICField_coor, &coorVec));
4209566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSMonitor(ts, step, ts->ptime, ts->vec_sol));
421*48a46eb9SPierre Jolivet     if (!ts->steprollback) PetscCall(TSPreStep(ts));
4229566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSStep(ts));
4231baa6e33SBarry Smith     if (ts->steprollback) PetscCall(TSPostEvaluate(ts));
424b80bf5b1SJoe Pusztay     if (!ts->steprollback) {
425b80bf5b1SJoe Pusztay       TSPostStep(ts);
4269566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMSwarmGetField(sw, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coor));
4279566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMSwarmGetField(sw, "kinematics", NULL, NULL, (void **)&kin));
4289566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(TSGetSolution(ts, &solution));
4299566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecGetSubVector(solution, is1, &position));
4309566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecGetSubVector(solution, is2, &momentum));
4319566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecGetArray(position, &pos));
4329566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecGetArray(momentum, &mom));
433b80bf5b1SJoe Pusztay       for (par = 0; par < Np; ++par) {
434b80bf5b1SJoe Pusztay         for (d = 0; d < dim; ++d) {
435b80bf5b1SJoe Pusztay           if (pos[par * dim + d] < 0.) {
436b80bf5b1SJoe Pusztay             coor[par * dim + d] = pos[par * dim + d] + 2. * PETSC_PI;
4379371c9d4SSatish Balay           } else if (pos[par * dim + d] > 2. * PETSC_PI) {
438b80bf5b1SJoe Pusztay             coor[par * dim + d] = pos[par * dim + d] - 2. * PETSC_PI;
4399371c9d4SSatish Balay           } else {
440b80bf5b1SJoe Pusztay             coor[par * dim + d] = pos[par * dim + d];
441b80bf5b1SJoe Pusztay           }
442b80bf5b1SJoe Pusztay           kin[par * dim + d] = mom[par * dim + d];
443b80bf5b1SJoe Pusztay         }
444b80bf5b1SJoe Pusztay       }
4459566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecRestoreArray(position, &pos));
4469566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecRestoreArray(momentum, &mom));
4479566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecRestoreSubVector(solution, is1, &position));
4489566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(VecRestoreSubVector(solution, is2, &momentum));
4499566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMSwarmRestoreField(sw, DMSwarmPICField_coor, NULL, NULL, (void **)&coor));
4509566063dSJacob Faibussowitsch       PetscCall(DMSwarmRestoreField(sw, "kinematics", NULL, NULL, (void **)&kin));
451b80bf5b1SJoe Pusztay     }
4529566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMSwarmMigrate(sw, PETSC_TRUE));
4539566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(DMLocalizeCoordinates(sw));
4549566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(TSReset(ts));
4559566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(VecDestroy(&probVec));
4569566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(ISDestroy(&is1));
4579566063dSJacob Faibussowitsch     PetscCall(ISDestroy(&is2));
458b80bf5b1SJoe Pusztay   }
4599566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(SNESDestroy(&user.snes));
4609566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(TSDestroy(&ts));
4619566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDestroy(&sw));
4629566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(DMDestroy(&dm));
4639566063dSJacob Faibussowitsch   PetscCall(PetscFinalize());
464b122ec5aSJacob Faibussowitsch   return 0;
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466b80bf5b1SJoe Pusztay 
467b80bf5b1SJoe Pusztay /*TEST
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470b80bf5b1SJoe Pusztay      requires: triangle !single !complex
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472b80bf5b1SJoe Pusztay      suffix: bsi1q3
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510