무스(소프트웨어)

MOOSE (software)
무스
Moose Multiphysics.png
MOOSE Peacock input.png
무스 GUI 공작새
원본 작성자데릭 개스턴
개발자아이다호 국립 연구소 및 기고자
초기 릴리즈2008년 6월 10일; 13년 전(2008-06-10)
운영 체제리눅스, Mac OS X, 유닉스
다음에서 사용 가능C++
유형유한요소해석
면허증LGPL
웹사이트mooseframework.inl.gov

MOOSE(Multiphysical Objectored Simulation Environment)는 아이다호 국립 연구소의 긴밀하게 결합된 다중 물리 해결사 개발을 위한 객체 지향 C++ 유한 요소 프레임워크다.[1] MOOSE는 유한 요소 분해를 제공하기 위해 PETSc 비선형 솔버 패키지와 libmesh를 사용한다.

MOOSE의 핵심 설계 측면은 취약한 형태의 잔차 방정식을 각각 계산 커널로 표현되는 별도의 용어로 분해하는 것이다. 이러한 커널을 완전한 잔차에 결합하여 해결해야 할 문제를 설명하는 작업을 런타임에 수행한다. 이것은 메커니즘의 전환과 재컴파일 없이 새로운 물리학의 추가와 같은 수정을 가능하게 한다. MOOSE는 솔리드 메카니즘, Navier에 대한 잔여 용어를 제공하는 광범위한 커널 라이브러리와 함께 제공된다.–스톡스 방정식, 위상 필드 모델 등

MOOSE는 VTK를 사용한다.

배경

2008년 5월부터 시작된 아이다호 국립 연구소(INL)의 MOOSE의 개발은 과학자와 엔지니어가 엔지니어링 시뮬레이션 도구를 미리 개발하여 개발하도록 하는 독특한 방식으로 컴퓨터 과학과 강력한 기초 수학적 설명을 결합한 컴퓨터 공학에 대한 독특한 접근법을 만들어냈다.필수의[2] MOOSE의 핵심은 커널이다. 낟알은 물리학의 "조각"이다. MOOSE를 사용하여 구축된 애플리케이션에 새로운 물리학을 추가하기 위해서는 방정식의 이산형 형태를 설명하는 새로운 커널을 공급하기만 하면 된다. 일반적으로 커널을 수학적 연산자로 생각하는 것이 편리하다. 예를 들어, 부분 미분 방정식(PDE)의 대류 용어나 라플라시안 같은 말이다. 커널은 서로 다른 애플리케이션 목표를 달성하기 위해 교환되거나 함께 결합될 수 있다. 현재 수백 개에 달하는 이들 커널은 과학자 또는 엔지니어가 애플리케이션을 신속하게 개발할 수 있도록 한다.

새로운 애플리케이션의 경우 기존 커널을 그대로 선택하거나 필요에 따라 수정하여 "플러그인" 상태로 한다. 첨가-분해-반작용 방정식은 어떤 용도로 사용되든 수학적 형태가 동일하다. 일반적으로 계수의 형태나 다른 물리학에 대한 의존성만 정의하면 된다. 커널을 처음부터 완성해야 하는 경우는 거의 없다. MOOSE를 사용하는 경우, 과학자 또는 엔지니어(응용프로그램 개발자)로부터 커널 개발만 필요하다. MOOSE는 PDE의 유한요소 탈환, 비선형 해결사, 병렬 고성능 컴퓨팅 등 애플리케이션 개발자를 위해 모든 것을 수행하도록 설계되었다.

아이다호 토착 동물 종의 이름을 따서 MOOSE 기반 응용 프로그램의 이름을 짓는 아이디어는 로스 알라모스 국립 연구소의 1970년대부터 1990년대까지의 접근방식에 근거하여 APAC, CONCHAS, KIVA 시리즈 코드와 같은 아메리카 원주민 부족과 유물의 이름을 따서 그들의 코드 이름을 짓는 접근방식에 근거하고 있다. 현재 다양한 개발 단계에 20마리 이상의 MOOSE 기반 응용 동물이 있으며, 여기에는 최근 예비 결과를 얻는 것에서부터 국가적으로 최첨단 노력(연료 성능 모델링 및 시뮬레이션 활동을 위한 BISON 및 MARMOT 등)으로 인정받는 것까지 포함된다.

설명

MOOSE / BISON 시뮬레이션: 연료 펠릿 조각이 제조상의 결함이나 운송 중 발생한 손상으로 인해 떨어져 나간 경우(왼쪽 가운데) 손상된 펠릿 표면은 인접한 피복재에서 높은 스트레스 상태를 유도한다. 그 결과 알갱이들은 그 안에 쌓여 있는 핵분열 생성물로 인해 다시 부풀어 오르기 전에 따뜻해지고 밀도가 높아져 주변 연료 피복재를 더욱 강조하게 된다.

MOOSE는 다중 물리적 모델 또는 다중 동시 물리적 현상을 수반하는 다중물리학 시스템의 솔루션을 위한 개발 및 런타임 환경이다. 계통은 일반적으로 완전 결합 비선형 부분 미분방정식 계통의 계통으로서 (모델링) 표현된다(다중물리 계통의 예는 단면이 열전달의 함수인 중성자성 단면에 대한 열 피드백 효과다). MOOSE 내부에서는 Jacobian-Free Newton Krylov(JFNK) 방법이 물리 방정식 시스템(또는 커널) 간의 효과적인 결합을 자연적으로 지원하는 병렬 비선형 해결사로 구현된다.[3] 물리 커널은 비선형 잔차에 기여하도록 설계되었으며, 이는 MOOSE 내부에서 최소화된다. MOOSE는 종합적인 유한요소 지원 능력(libMesh)을 제공하고 메쉬 적응과 병렬 실행을 제공한다. 이 프레임워크는 PETSC(Portable, Extensible Toolkit for Scientific Computing) 프로젝트 또는 트릴리노스 프로젝트에서 비선형 해결사 기능과 같이 에너지부(DOE)와 원자력보안청(NNSA)의 소프트웨어 라이브러리를 많이 활용한다.

엘크(확장된 커널 라이브러리)

엘케이(LK)는 공통 커널, 경계 조건 및 재료 베이스 클래스를 위한 라이브러리다.[4]

YAK(Yet Another Kernel)

YAK는 방사선 운송 애플리케이션을 위한 공통 작용, 커널, 경계 조건 및 재료 기본 클래스의 라이브러리다. YAK는 현재 래틀스네이크(다그룹 방사선 Sn transport), 프롱혼(다그룹 확산), 크리터(다단 스케일 온도 피드백)와 연계되어 있다.

적용들

비슨

BISON은 최초의 MOOSE 기반 응용 프로그램 "동물"로 경수로 연료봉, TRISO 연료입자, 금속 막대 및 판 연료 등 다양한 연료 형태에 적용되는 유한 요소 기반 핵연료 성능 코드다.[5][6][7] 열역학 및 종 확산의 완전 결합 방정식을 해결하며, 핵분열 가스 방출, 연소 시 물질 특성 저하와 같은 중요한 연료 물리학을 포함한다. BISON은 MOOSE 프레임워크를[8] 기반으로 하기 때문에 표준 워크스테이션이나 대형 고성능 컴퓨터를 사용하여 2차원 축대칭 또는 3차원 기하학적 구조의 문제를 효율적으로 해결할 수 있다. 피복재에 대해서는 가소성, 조사 성장, 열 및 조사 크리프 모델이 구현된다. 또한 갭 열전달, 기계적 접촉 및 갭/플레넘 압력의 진화를 플레넘 부피, 가스 온도, 핵분열 가스 첨가로 시뮬레이션할 수 있는 모델도 이용할 수 있다. BISON은 또한 MOSE 기반 메소스케일 위상 물질 특성 시뮬레이션 기능과 결합되어 있다.[9][10]

마못

MARMOT는 조사 유도 미세구조 진화를 모델링하기 위한 유한요소 기반 위상 필드 코드다. MARMOT는 보이드 핵화와 성장, 거품 성장, 곡물 경계 이동, 가스 확산 및 분리 등 미세구조 진화에 대한 방사선 손상의 영향을 예측한다. 위상장 방정식은 엘크의 열전도 및 고체 역학과 결합하여 온도와 응력 구배가 진화에 미치는 영향을 고려할 수 있다. 또한 MARMOT는 미세구조 진화가 열전도도와 다공성 등 다양한 벌크 재료 특성에 미치는 영향을 계산한다. 대량 특성이 계산되면 연료 성능 시뮬레이션을 위해 BISON으로 전달될 수 있다. MARMOT와 BISON 사이의 이러한 결합은 하이브리드 코드 BARMOT에서 달성되었다.[11][12][13]

매

FANCE는 열수 및 공학적 지열시스템(EGS) 저장소의 밀접하게 결합된 유체암 거동의 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해 개발되고 있으며, 단일한 통합 코드로 파단 자극, 유체 흐름, 암석 변형 및 열 수송의 역학을 목표로 하며, 테스트에 사용할 수 있는 도구를 제공한다는 궁극적인 목표를 가지고 있다. 미국과 전세계에서 EGS의 생존 [14][15][16]가능성 EGS 시스템의 신뢰할 수 있는 저장장치 성능 예측은 결합된 열-수력학-기계적 프로세스에 대한 정확하고 강력한 모델링이 필요하다. 통상적으로 이러한 유형의 문제들은 연산자 분할 방법을 사용하여 해결되는데, 대개 입력 파일을 통한 고체 역학 시뮬레이터와 표면 아래 흐름과 열 수송 시뮬레이터를 결합함으로써 해결된다.[17][18][19][20] FANCE는 이러한 시스템을 시뮬레이션하기 위해 연산자 분할 방법을 사용할 필요가 없으며, MOOSE 지원 애플리케이션의 확장성은 저장장치 규모에서 이러한 밀접하게 결합된 프로세스를 시뮬레이션할 수 있게 하여 시스템 전체(운영자가 일반적으로 할 수 없는 것)를 조사할 수 있게 한다.[21][22]

랫드

ReActive Transport(RAT)는 표면 아래 다공성 매체에서 유체 흐름, 용액 운반, 생체 화학 반응 및 매체-솔루션 상호작용의 매우 비선형적으로 결합된 물리적 프로세스를 포함하는 반응성 전송 문제를 해결하기 위해 개발되었다. 이러한 문제들은 공학적 환경 교정조치, 강화된 지열 시스템, 이산화탄소 지질학적 격리 등과 같이 표면 아래 설계되는 다양한 시스템에서 흔히 발생한다. 현재, RAT에서 결합할 수 있는 물리학은 다공성 매체에서의 단상 유체 흐름, 흡착, 분산 및 확산 운송, 수성 운동 반응, 수성 평형 반응, 운동 광물 강수량/분해 반응, 카르멘-코제니 다공성-유도성 관계를 포함한다.[23][24]

이 소프트웨어는 브라이드우드, SNO+, DEAP-3600 등 중성미자와 암흑물질 실험에 사용되는 섬광 검출기의 마이크 물리학적 시뮬레이션을 위한 루트[26]및 GEANT4[27]기반의 툴킷인 RAT와[25]혼동해서는안 된다.

RELAP-7

RELAP-7은 RELAP 안전/시스템 분석 애플리케이션 시리즈의 차세대 도구로 MOOSE 개발 및 런타임 환경 프레임워크를 기반으로 한다.[28][29] RELAP-7은 RELAP5의 기본 분석 능력을 유지하고 개선한다. 4가지 주요 개선사항은 1) RELAP5에서 발견된 7상 2상 유량 모델(액체, 가스, 인터페이스 압력) 대 구식 6상 유량 모델(비물리적 혼합 음속)의 개선; 2) 1차 ap에 비해 공간과 시간 모두에서 2차 정확도가 높은 수치 근사치RELAP5의 대리점; 3) 전체 수명 연료 주기 평가를 위한 발전소 동작을 제공하는 것과 같은 장기 과도현상에 대한 암묵적 결합 시간 통합, 4) 다른 프로그램(NEAMS, CASL, ATR LEP)에서 개발되고 있는 다차원 코어 시뮬레이터에 쉽게 결합할 수 있는 기능.[30][31][32]

프롱혼

프롱혼은 원래 가스 냉각 자갈침대 VHTR 개념의 시뮬레이션을 위해 개발되었다. 프롱혼의 현재 능력에는 과도현상 및 일정하게 결합된 다공성 유체 흐름과 표준 다그룹 확산 모델(즉, 고정된 선원, 임계성, 시간 의존성)에 의한 고체 상태의 열전도 등이 있다.[33] 최근에 추가된 기능에는 임계 문제에 대한 비선형 가속도계와 프리즘형 원자로 개념에 대한 간단한 열유체 모델이 포함된다. 향후 기능에는 (열경계층 효과를 연구하기 위한) 모델의 보다 발전된 다상 흐름 유형과 방사선 전달 모델이 포함될 것이다. 물리학은 3차원 카르테시안(x, y, z) 또는 원통형(r, q, z) 공간에서 해결할 수 있으며, 전구체 및 단열 피드백 모델도 있다. 이 코드는 PBMR400 벤치마크 문제에 대해 검증되었다. Pronghorn을 사용해 조약돌침 및 프리즘 가스냉각 원자로와 단순 열중성자 결합 LWR 벤치마크 문제에 대해 열화유체/중성자 모두에 대해 로드 분사 시뮬레이션을 수행했다.[34][35]

특징들

  • 완전 결합, 완전 암묵적 다중물리학 해결사
  • 차원 독립 물리학
  • 자동으로 병렬 처리(최대 실행이 100,000개 CPU 코어 미만)
  • 모듈식 개발로 코드 재사용 간소화
  • 내장 메쉬 적응성
  • 연속 및 불연속 갤러킨(DG) (동시)
  • Jacobian 매트릭스 계산을 위한 Forward-Mode 자동 차별화
  • 직관적인 병렬 멀티스케일 해결(아래 비디오 참조)
  • 치수 제한 없는 병렬 기하학적 검색(연락처 관련 응용 프로그램용)
  • 유연한 플러그형 그래픽 사용자 인터페이스
  • 최대 30개의 플러그형 인터페이스를 통해 해결책의 모든 부분을 전문화할 수 있음

메모들

  1. ^ "MOOSE Framework - Open Source Multiphysics". Idaho National Laboratory. Retrieved 2013-03-28.
  2. ^ [1][데드링크]
  3. ^ "Archived copy" (PDF). www.global-sci.com. Archived from the original (PDF) on 19 March 2013. Retrieved 17 January 2022.{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크)
  4. ^ "MOOSE instructions - EVOWiki". Icme.hpc.msstate.edu. 2012-04-17. Archived from the original on 2016-03-05. Retrieved 2012-12-11.
  5. ^ Williamson, R.L.; Hales, J.D.; Novascone, S.R.; Tonks, M.R.; Gaston, D.R.; Permann, C.J.; Andrs, D.; Martineau, R.C. (2012-01-19). "Journal of Nuclear Materials - Multidimensional multiphysics simulation of nuclear fuel behavior". Journal of Nuclear Materials. 423 (1–3): 149–163. doi:10.1016/j.jnucmat.2012.01.012.
  6. ^ [2][데드링크]
  7. ^ Newman, Chris; Hansen, Glen; Gaston, Derek (2009). "Journal of Nuclear Materials - Three dimensional coupled simulation of thermomechanics, heat, and oxygen diffusion in UO2 nuclear fuel rods". Journal of Nuclear Materials. 392: 6–15. doi:10.1016/j.jnucmat.2009.03.035.
  8. ^ Gaston, Derek; Newman, Chris; Hansen, Glen; Lebrun-Grandié, Damien (2009-07-19). "Nuclear Engineering and Design - MOOSE: A parallel computational framework for coupled systems of nonlinear equations" (PDF). Nuclear Engineering and Design. 239 (10): 1768–1778. doi:10.1016/j.nucengdes.2009.05.021.
  9. ^ Tonks, Michael R.; Gaston, Derek; Millett, Paul C.; Andrs, David; Talbot, Paul (2011-08-28). "Computational Materials Science - An object-oriented finite element framework for multiphysics phase field simulations". Computational Materials Science. 51: 20–29. doi:10.1016/j.commatsci.2011.07.028.
  10. ^ Tonks, Michael; Gaston, Derek; Permann, Cody; Millett, Paul; Hansen, Glen; Wolf, Dieter (2010-07-03). "Nuclear Engineering and Design - A coupling methodology for mesoscale-informed nuclear fuel performance codes". Nuclear Engineering and Design. 240 (10): 2877–2883. doi:10.1016/j.nucengdes.2010.06.005.
  11. ^ Tonks, MR; Gaston, D; Millett, PC; Andrs, D; Talbot, P (2012). "An object-oriented finite element framework for multiphysics phase field simulations". Computational Materials Science. 51: 20–29. doi:10.1016/j.commatsci.2011.07.028.
  12. ^ K Chocalingam, MR Tonks, JD Hales, DR Gaston, PC Millett, L Zhang. 2012. Jacobian-Free Newton-Krylov와의 크리스탈 가소성. Computing Mechanics 0178-7675:1-10.
  13. ^ Zhang, L; Tonks, MR; Millett, PC; Zhang, Y; Chockalingam, K; Biner, B (2012). "Phase-field modeling of temperature gradient driven pore migration coupling with thermal conduction". Computational Materials Science. 56: 161–165. doi:10.1016/j.commatsci.2012.01.002.
  14. ^ "ESTSC - Find the latest in U.S. Department of Energy Software". Osti.gov. Retrieved 2012-12-11.
  15. ^ 포드고리, R.K, H.황, D. Gaston, 2010, 향상된 지열 시스템 저장소를 위한 열-유체-기계적 결합 프로세스의 대량 병렬 완전 결합 모델링, 제35회 스탠포드 지열 워크숍, 스탠포드, CA, 2010년 2월
  16. ^ 개스톤, D, L. 궈, H. 황, R. 존슨, H. 파크, R. 포드고리니, M. 톤스, 그리고 R, 윌리엄슨. 2010. 핵, 에너지 및 환경 응용을 위한 병렬 알고리즘 및 소프트웨어 제1부: 다중물리학 알고리즘, 컴퓨터 물리학에서의 통신
  17. ^ 개스톤, D, L. 궈, H. 황, R. 존슨, H. 파크, R. 포드고리니, M. 톤스, 그리고 R, 윌리엄슨. 2010. 핵, 에너지 및 환경 응용을 위한 병렬 알고리즘 및 소프트웨어 제2부: 다중물리학 소프트웨어, 컴퓨터 물리학에서의 통신
  18. ^ 포드고리, R.K., G. 군나르손, H. Huang, 2011, 온도 의존 유체 재분사 거동의 수치 시뮬레이션, Helisheidi 지열장, Southwest Island, 지열 자원 위원회 35차 연례 회의, San Diego, CA, 2011년 10월 23일–26일
  19. ^ 황, H, P. 메킨, 포드고리, R.K, S. 덩, C. Lu. 2011년, 엔지니어링된 지열 시스템의 균열 및 투과성 진화의 물리학 기반 모델링, 지열 자원 위원회 35차 연례 회의, 샌디에이고, CA, 2011년 10월 23일–26일
  20. ^ 포드고리, R.K, C.루, H. 2012년 Huang. 2012년, EGS 골절 및 암석 매트릭스에서 작동 유체 주입 및 열 에너지 추출의 서모-하이드로-기술 모델링, 2012년 2월, 제37회 스탠포드 지열 워크숍, 스탠포드, CA, 2012년 2월.
  21. ^ 포드고리, R.K, H.황, D. Gaston, 2010, FANCE: 완전히 결합된 다층유체 유체 흐름, 열 수송, 암석 변형 및 파쇄, 지열 자원 위원회 34차 연례 회의, 새크라멘토, CA, 2010년 10월 24-27일, 복합 유한 요소-분해 요소 물리학 기반 모델
  22. ^ 포드고리, R.K, H.황, D. Gaston, 2010, 지질 미디어에서 결합된 열-수체-기계 문제에 대한 물리 기반 모델링: 2010년 10월 31일 11월 3일 덴버에서 열린 미국지질학회 연례회의 지열시스템 고도화 신청
  23. ^ [3][데드링크]
  24. ^ "Reactive Transport Modeling of Induced Calcite Precipitation Reaction Fronts in". Adsabs.harvard.edu. Bibcode:2010AGUFM.H51C0911G. {{cite journal}}: Cite 저널은 필요로 한다. journal= (도움말)
  25. ^ "Overview — RAT 1.0 documentation". rat.readthedocs.io.
  26. ^ "ROOT a Data analysis Framework ROOT a Data analysis Framework". root.cern.ch.
  27. ^ "Overview geant4.web.cern.ch". geant4.web.cern.ch.
  28. ^ "NEAMS Update" (PDF). Ipd.anl.gov. April 2012. Archived from the original (PDF) on 2016-12-24. Retrieved 2016-09-27.
  29. ^ [4][데드링크]
  30. ^ "NEAMS Update" (PDF). Ipd.anl.gov. January 2012. Archived from the original (PDF) on 2016-12-25. Retrieved 2016-09-27.
  31. ^ [5][데드링크]
  32. ^ "Microsoft Word - Demonstration of a Steady State PWR Problem with RELAP7 r3.docx" (PDF). Inl.gov. Retrieved 2016-09-27.
  33. ^ [6][데드링크]
  34. ^ H. Park , D. Gaston , S. Kadiouglu, D. Knoll, D. Knoll, D. Lebrun-Grandie , R. Martineau 그리고 W. Taitano", "Peble Bed Rotor를 위한 긴밀하게 결합된 다중물리 시뮬레이션", 2009년 미국 원자력 협회 2009년 5월 3일–7일 NY Saratoga Springs에서 수학, 계산 방법 및 원자로 물리학의 진보에 관한 국제 회의.
  35. ^ [7][데드링크]

참조

  • Tonks, M.; Gaston, D.; Millett, P.; Andrs, D.; Talbot, P. (2012). "An object-oriented finite element framework for multiphysics phase field simulations". Comp. Mat. Sci. 51 (1): 20–29. doi:10.1016/j.commatsci.2011.07.028.
  • Williamson, R.; Hales, J.; Novascone, S.; Tonks, M.; Gaston, D.; Permann, C.; Andrs, D.; Martineau, R. (2012). "Multidimensional Multiphysics Simulation of Nuclear Fuel Behavior". Journal of Nuclear Materials. 423 (149–163): 2012. Bibcode:2012JNuM..423..149W. doi:10.1016/j.jnucmat.2012.01.012.
  • L. 궈, H. 황, D. 개스톤, 그리고 G. 레드든. "완전히 결합되고 완전 암묵적인 병렬 반응형 운송 시뮬레이터를 사용하여 유량기둥에서 박테리아 방제 요소 가수분해에 의해 구동되는 석회석 침전물의 모델링" Eos Transactions American Geophysical Union, 90(52), Fall Meeting Supplement, AGU 90(52), 샌프란시스코, CA, 2009년 12월 14일-18일.
  • R. Podgorney, H. Huang, and D. Gaston (February 1–3, 2010). Massively parallel fully coupled implicit modeling of coupled thermal-hydrological-mechanical processes for enhanced geothermal system reservoirs. 35th Stanford Geothermal Workshop. Stanford University, Palo Alto, CA. OSTI 974761. Archived from the original on 2021-03-06. Retrieved 2019-03-16.{{cite conference}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
  • Park, H.; Knoll, D. A.; Gaston, D. R.; Martineau, R. C. (2010). "Tightly Coupled Multiphysics Algorithms for Pebble Bed Reactors". Nuclear Science and Engineering. 166 (2): 118–133. doi:10.13182/NSE09-104.

외부 링크