Gerris

Gerris 是一个跨平台的计算流体力学软件, 并且是遵守GNU通用公共许可证的自由软件. 创建者是 Stéphane Popinet, 由 NIWA (National Institute of Water and Atmospheric research) 和 Institut Jean le Rond d'Alembert 进行维护. "Gerris" 是拉丁文(以及法文)中水黽的意思. ^[1]

Gerris Flow Solver

Gerris 1.3.2 (GfsView: 0.5.0)
原作者	Stéphane Popinet, NIWA (National Institute of Water and Atmospheric research), Institut Jean le Rond d'Alembert
当前版本	20090721 (1.3)（2009年7月21日，​15年前​（2009-07-21））
预览版本	20120326（2012年3月26日）
编程语言	C
操作系统	Unix-like, Mac OS X, Microsoft Windows(通过cygwin)
平台	32位/64位
语言	英文
类型	计算流体力学
许可协议	GNU通用公共许可证
网站	http://gfs.sourceforge.net/

历史

2001年, Stéphane Popinet 从零开始编写 Gerris. 第一个版本以 GNU通用公共许可证 于 2001 年 9 月发布. Gerris 是原创项目, 不是任何已有代码的改编版. ^[2] 最近一个稳定版是 2009-07-21 发布的. Gerris 常以发布日期标注(特别是开发中的)版本, 虽然也有正规的版本号.

严格的说 Gerris 指的仅仅是一个命令行界面的非交互式程序. 该程序依据给定的模拟文件读入各种模拟要用到的参数和物件, 并依据模拟文件的指示输出数据(可以是指定位置的物理量也可以是图形).

但通常提到 Gerris 的时候专门配合使用的计算结果查看器 GfsView 也会算在内. Gerris 计算时会自动生成离散八叉树(octree)形式的网格数据结构, 而一般的可视化软件没法处理这种结构, 故作者自己开发了 GfsView 来实现这一功能.

虽说是跨平台软件, 但在Windows平台需要使用cygwin进行编译.

主要功能

• 可计算 2D 或 3D 不可压无粘/有粘流体.
• 可在计算上述流体的同时求解对流扩散问题.
• 支持固定边界和运动边界的计算.
• 支持自由边界以及表面张力的计算.
• 流体中放置的物件可由其他 CAD 软件(如 Blender ^[3]) 制作好后放入. 对于简单的几何体 Gerris 也提供了内置的模型供使用.
• 全自动打网格(方形(2D)/立方体(3D)网格), 并且支持自适应网格. 疏密程度以及自适应判据可由用户指定.(GfsAdapt)
• 可直接输出视频文件(需要 FFmpeg 的支持).
• 支持平行计算

计算精度

• 在计算无粘流体时由于计算格式的数值粘性, 结果与理论无粘流会有些差别. 网格剖分加细6次时, 等价的雷诺数大致是 10⁴ ~ 10⁶. 该粘性会随网格精细程度的提高而相应减小(雷诺数升高).^[4]
• 时间和空间都有二阶精度 ^[5].

缺点

• 不支持可压流体的计算----适用范围较小.
• 仅支持立方形的网格.
• 全程序使用无量纲化的物理量, 单位转换不够方便^[6].

示例文件

参见教程 ^[7]

文件 vorticity.gfs:

# 空间由两个单位立方体组成
1 2 GfsSimulation GfsBox GfsGEdge {} {
  # 模拟时间从 t=0 到 50
  GfsTime { end = 50 }
  # 网格剖分加细 6 次, 即是平面分成 2^6 * 2^6 个网格.
  GfsRefine 6
  # 流场的初态由随机数指定
  GfsInit {} {
    U = (0.5 - rand()/(double)RAND_MAX)
    V = (0.5 - rand()/(double)RAND_MAX)
  }  
  # 每计算10步在屏幕上输出一次时间, 以及计算误差相关的信息
  GfsOutputTime            { istep = 10  } stdout
  GfsOutputProjectionStats { istep = 10  } stdout
  # 每过 1 单位时间, 添加一帧涡量的 ppm 格式的图像到 vorticity.ppm
  GfsOutputPPM             { step = 1 } vorticity.ppm { v = Vorticity }
}
# 两个单位立方体的连接关系
GfsBox {}
1 1 right
1 1 top

开始计算

gerris2D vorticity.gfs

计算完后当前文件夹下将生成一个 .ppm 文件, 保存有各时刻的涡量大小(以颜色表示)的图像.

如在 Linux 下, 可以使用以下命令转化图像序列为视频(需要安装 ImageMagick)

convert vorticity.ppm vorticity.mpg

也可修改模拟文件使其直接输出 .mpg 文件.

参见

• OpenFOAM
• 计算流体力学
• 计算科学
• 计算机模拟

外部链接

• 项目主页 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
• 一些算例 （页面存档备份，存于互联网档案馆）

参考文献

1. Gerris FAQ. Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. 2012-04-16 [2012-04-16]. （原始内容存档于2018-06-12）.
2. FAQ:Where does Gerris come from?. Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. [2012-06-14]. （原始内容存档于2018-06-12）.
3. Using Blender to create solids for Gerris. Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. 2012-04-16 [2012-04-16]. （原始内容存档于2018-03-20）.
4. Estimation of the numerical viscosity. Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. 2012-04-16 [2012-04-16]. （原始内容存档于2020-02-20）.
5. Quadtree-adaptive tsunami modelling (PDF). Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. 2012-04-16 [2012-04-16]. （原始内容存档 (PDF)于2017-08-11）.
6. How would I redimensionalise U,V,W and P?. Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. 2012-04-17 [2012-04-17]. （原始内容存档于2018-06-12）.
7. The Gerris Tutorial. Gerris Development Team. http://gfs.sourceforge.net/. 2011-03-23 [2012-04-16]. （原始内容存档于2018-04-27）.