src/finiteVolume/fvMatrices/fvMatrix/fvMatrix.H

   1 /*---------------------------------------------------------------------------*\
   2   =========                 |
   3   \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox
   4    \\    /   O peration     |
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   6      \\/     M anipulation  |
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  10
  11     OpenFOAM is free software; you can redistribute it and/or modify it
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  19     for more details.
  20
  21     You should have received a copy of the GNU General Public License
  22     along with OpenFOAM; if not, write to the Free Software Foundation,
  23     Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA
  24
  25 Class
  26     Foam::fvMatrix
  27
  28 Description
  29     Finite-Volume matrix.
  30
  31 SourceFiles
  32     fvMatrix.C
  33     fvMatrixSolve.C
  34     fvScalarMatrix.C
  35
  36 \*---------------------------------------------------------------------------*/
  37
  38 #ifndef fvMatrix_H
  39 #define fvMatrix_H
  40
  41 #include "volFields.H"
  42 #include "surfaceFields.H"
  43 #include "lduMatrix.H"
  44 #include "tmp.H"
  45 #include "autoPtr.H"
  46 #include "dimensionedTypes.H"
  47 #include "zeroField.H"
  48 #include "className.H"
  49
  50 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
  51
  52 namespace Foam
  53 {
  54
  55 // Forward declaration of friend functions and operators
  56
  57 template<class Type>
  58 class fvMatrix;
  59
  60 template<class Type>
  61 tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > operator&
  62 (
  63     const fvMatrix<Type>&,
  64     const DimensionedField<Type, volMesh>&
  65 );
  66
  67 template<class Type>
  68 tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > operator&
  69 (
  70     const fvMatrix<Type>&,
  71     const tmp<DimensionedField<Type, volMesh> >&
  72 );
  73
  74 template<class Type>
  75 tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > operator&
  76 (
  77     const fvMatrix<Type>&,
  78     const tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >&
  79 );
  80
  81 template<class Type>
  82 tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > operator&
  83 (
  84     const tmp<fvMatrix<Type> >&,
  85     const DimensionedField<Type, volMesh>&
  86 );
  87
  88 template<class Type>
  89 tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > operator&
  90 (
  91     const tmp<fvMatrix<Type> >&,
  92     const tmp<DimensionedField<Type, volMesh> >&
  93 );
  94
  95 template<class Type>
  96 tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > operator&
  97 (
  98     const tmp<fvMatrix<Type> >&,
  99     const tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >&
 100 );
 101
 102 template<class Type>
 103 Ostream& operator<<(Ostream&, const fvMatrix<Type>&);
 104
 105
 106 /*---------------------------------------------------------------------------*\
 107                            Class fvMatrix Declaration
 108 \*---------------------------------------------------------------------------*/
 109
 110 template<class Type>
 111 class fvMatrix
 112 :
 113     public refCount,
 114     public lduMatrix
 115 {
 116 public:
 117
 118     // Private data
 119
 120         // Reference to GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh>
 121         GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh>& psi_;
 122
 123         //- Dimension set
 124         dimensionSet dimensions_;
 125
 126         //- Source term
 127         Field<Type> source_;
 128
 129         //- Boundary scalar field containing pseudo-matrix coeffs
 130         //  for internal cells
 131         FieldField<Field, Type> internalCoeffs_;
 132
 133         //- Boundary scalar field containing pseudo-matrix coeffs
 134         //  for boundary cells
 135         FieldField<Field, Type> boundaryCoeffs_;
 136
 137
 138         //- Face flux field for non-orthogonal correction
 139         mutable GeometricField<Type, fvsPatchField, surfaceMesh>
 140             *faceFluxCorrectionPtr_;
 141
 142
 143     // Private member functions
 144
 145         //- Add patch contribution to internal field
 146         template<class Type2>
 147         void addToInternalField
 148         (
 149             const unallocLabelList& addr,
 150             const Field<Type2>& pf,
 151             Field<Type2>& intf
 152         ) const;
 153
 154         template<class Type2>
 155         void addToInternalField
 156         (
 157             const unallocLabelList& addr,
 158             const tmp<Field<Type2> >& tpf,
 159             Field<Type2>& intf
 160         ) const;
 161
 162         //- Subtract patch contribution from internal field
 163         template<class Type2>
 164         void subtractFromInternalField
 165         (
 166             const unallocLabelList& addr,
 167             const Field<Type2>& pf,
 168             Field<Type2>& intf
 169         ) const;
 170
 171         template<class Type2>
 172         void subtractFromInternalField
 173         (
 174             const unallocLabelList& addr,
 175             const tmp<Field<Type2> >& tpf,
 176             Field<Type2>& intf
 177         ) const;
 178
 179
 180         // Matrix completion functionality
 181
 182             void addBoundaryDiag
 183             (
 184                 scalarField& diag,
 185                 const direction cmpt
 186             ) const;
 187
 188             void addCmptAvBoundaryDiag(scalarField& diag) const;
 189
 190             void addBoundarySource
 191             (
 192                 Field<Type>& source,
 193                 const bool couples=true
 194             ) const;
 195
 196
 197 public:
 198
 199     //- Solver class returned by the solver function
 200     //  used for systems in which it is useful to cache the solver for reuse
 201     //  e.g. is the solver is potentialy expensive to construct (AMG) and can
 202     //  be used several times (PISO)
 203     class fvSolver
 204     {
 205         fvMatrix<Type>& fvMat_;
 206
 207         autoPtr<lduMatrix::solver> solver_;
 208
 209     public:
 210
 211         // Constructors
 212
 213             fvSolver(fvMatrix<Type>& fvMat, autoPtr<lduMatrix::solver> sol)
 214             :
 215                 fvMat_(fvMat),
 216                 solver_(sol)
 217             {}
 218
 219
 220         // Member functions
 221
 222             //- Solve returning the solution statistics.
 223             //  Solver controls read from Istream
 224             lduMatrix::solverPerformance solve(Istream&);
 225
 226             //- Solve returning the solution statistics.
 227             //  Solver controls read from fvSolution
 228             lduMatrix::solverPerformance solve();
 229     };
 230
 231
 232     ClassName("fvMatrix");
 233
 234
 235     // Constructors
 236
 237         //- Construct given a field to solve for
 238         fvMatrix
 239         (
 240             GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh>&,
 241             const dimensionSet&
 242         );
 243
 244         //- Construct as copy
 245         fvMatrix(const fvMatrix<Type>&);
 246
 247         //- Construct as copy of tmp<fvMatrix<Type> > deleting argument
 248 #       ifdef ConstructFromTmp
 249         fvMatrix(const tmp<fvMatrix<Type> >&);
 250 #       endif
 251
 252         //- Construct from Istream given field to solve for
 253         fvMatrix(GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh>&, Istream&);
 254
 255
 256     // Destructor
 257
 258         virtual ~fvMatrix();
 259
 260
 261     // Member functions
 262
 263         // Access
 264
 265             const GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh>& psi() const
 266             {
 267                 return psi_;
 268             }
 269
 270             GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh>& psi()
 271             {
 272                 return psi_;
 273             }
 274
 275             const dimensionSet& dimensions() const
 276             {
 277                 return dimensions_;
 278             }
 279
 280             Field<Type>& source()
 281             {
 282                 return source_;
 283             }
 284
 285             const Field<Type>& source() const
 286             {
 287                 return source_;
 288             }
 289
 290             //- fvBoundary scalar field containing pseudo-matrix coeffs
 291             //  for internal cells
 292             FieldField<Field, Type>& internalCoeffs()
 293             {
 294                 return internalCoeffs_;
 295             }
 296
 297             //- fvBoundary scalar field containing pseudo-matrix coeffs
 298             //  for boundary cells
 299             FieldField<Field, Type>& boundaryCoeffs()
 300             {
 301                 return boundaryCoeffs_;
 302             }
 303
 304
 305             //- Declare return type of the faceFluxCorrectionPtr() function
 306             typedef GeometricField<Type, fvsPatchField, surfaceMesh>
 307                 *surfaceTypeFieldPtr;
 308
 309             //- Return pointer to face-flux non-orthogonal correction field
 310             surfaceTypeFieldPtr& faceFluxCorrectionPtr()
 311             {
 312                 return faceFluxCorrectionPtr_;
 313             }
 314
 315
 316         // Operations
 317
 318             //- Set solution in given cells and eliminate corresponding
 319             //  equations from the matrix
 320             void setValues
 321             (
 322                 const labelList& cells,
 323                 const Field<Type>& values
 324             );
 325
 326             //- Set reference level for solution
 327             void setReference
 328             (
 329                 const label cell,
 330                 const Type& value
 331             );
 332
 333             //- Set reference level for a component of the solution
 334             //  on a given patch face
 335             void setComponentReference
 336             (
 337                 const label patchi,
 338                 const label facei,
 339                 const direction cmpt,
 340                 const scalar value
 341             );
 342
 343             //- Relax matrix (for steady-state solution).
 344             //  alpha = 1 : diagonally equal
 345             //  alpha < 1 : diagonally dominant
 346             //  alpha = 0 : do nothing
 347             void relax(const scalar alpha);
 348
 349             //- Relax matrix (for steady-state solution).
 350             //  alpha is read from controlDict
 351             void relax();
 352
 353             //- Construct and return the solver
 354             //  Solver controls read from Istream
 355             autoPtr<fvSolver> solver(Istream&);
 356
 357             //- Construct and return the solver
 358             //  Solver controls read from fvSolution
 359             autoPtr<fvSolver> solver();
 360
 361             //- Solve returning the solution statistics.
 362             //  Solver controls read from Istream
 363             lduMatrix::solverPerformance solve(Istream&);
 364
 365             //- Solve returning the solution statistics.
 366             //  Solver controls read from fvSolution
 367             lduMatrix::solverPerformance solve();
 368
 369             //- Return the matrix residual
 370             tmp<Field<Type> > residual() const;
 371
 372             //- Return the matrix scalar diagonal
 373             tmp<scalarField> D() const;
 374
 375             //- Return the matrix Type diagonal
 376             tmp<Field<Type> > DD() const;
 377
 378             //- Return the central coefficient
 379             tmp<volScalarField> A() const;
 380
 381             //- Return the H operation source
 382             tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> > H() const;
 383
 384             //- Return H(1)
 385             tmp<volScalarField> H1() const;
 386
 387             //- Return the face-flux field from the matrix
 388             tmp<GeometricField<Type, fvsPatchField, surfaceMesh> >
 389             flux() const;
 390
 391
 392     // Member operators
 393
 394         void operator=(const fvMatrix<Type>&);
 395         void operator=(const tmp<fvMatrix<Type> >&);
 396
 397         void negate();
 398
 399         void operator+=(const fvMatrix<Type>&);
 400         void operator+=(const tmp<fvMatrix<Type> >&);
 401
 402         void operator-=(const fvMatrix<Type>&);
 403         void operator-=(const tmp<fvMatrix<Type> >&);
 404
 405         void operator+=
 406         (
 407             const DimensionedField<Type, volMesh>&
 408         );
 409         void operator+=
 410         (
 411             const tmp<DimensionedField<Type, volMesh> >&
 412         );
 413         void operator+=
 414         (
 415             const tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >&
 416         );
 417
 418         void operator-=
 419         (
 420             const DimensionedField<Type, volMesh>&
 421         );
 422         void operator-=
 423         (
 424             const tmp<DimensionedField<Type, volMesh> >&
 425         );
 426         void operator-=
 427         (
 428             const tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >&
 429         );
 430
 431         void operator+=(const dimensioned<Type>&);
 432         void operator-=(const dimensioned<Type>&);
 433
 434         void operator+=(const zeroField&);
 435         void operator-=(const zeroField&);
 436
 437         void operator*=(const DimensionedField<scalar, volMesh>&);
 438         void operator*=(const tmp<DimensionedField<scalar, volMesh> >&);
 439         void operator*=(const tmp<volScalarField>&);
 440
 441         void operator*=(const dimensioned<scalar>&);
 442
 443
 444     // Friend operators
 445
 446         friend tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >
 447         operator& <Type>
 448         (
 449             const fvMatrix<Type>&,
 450             const DimensionedField<Type, volMesh>&
 451         );
 452
 453         friend tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >
 454         operator& <Type>
 455         (
 456             const fvMatrix<Type>&,
 457             const tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >&
 458         );
 459
 460         friend tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >
 461         operator& <Type>
 462         (
 463             const tmp<fvMatrix<Type> >&,
 464             const DimensionedField<Type, volMesh>&
 465         );
 466
 467         friend tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >
 468         operator& <Type>
 469         (
 470             const tmp<fvMatrix<Type> >&,
 471             const tmp<GeometricField<Type, fvPatchField, volMesh> >&
 472         );
 473
 474
 475     // Ostream operator
 476
 477         friend Ostream& operator<< <Type>
 478         (
 479             Ostream&,
 480             const fvMatrix<Type>&
 481         );
 482 };
 483
 484
 485 // * * * * * * * * * * * * * * * Global functions  * * * * * * * * * * * * * //
 486
 487 template<class Type>
 488 void checkMethod
 489 (
 490     const fvMatrix<Type>&,
 491     const fvMatrix<Type>&,
 492     const char*
 493 );
 494
 495 template<class Type>
 496 void checkMethod
 497 (
 498     const fvMatrix<Type>&,
 499     const DimensionedField<Type, volMesh>&,
 500     const char*
 501 );
 502
 503 template<class Type>
 504 void checkMethod
 505 (
 506     const fvMatrix<Type>&,
 507     const dimensioned<Type>&,
 508     const char*
 509 );
 510
 511
 512 //- Solve returning the solution statistics given convergence tolerance
 513 //  Solver controls read Istream
 514 template<class Type>
 515 lduMatrix::solverPerformance solve(fvMatrix<Type>&, Istream&);
 516
 517
 518 //- Solve returning the solution statistics given convergence tolerance,
 519 //  deleting temporary matrix after solution.
 520 //  Solver controls read Istream
 521 template<class Type>
 522 lduMatrix::solverPerformance solve(const tmp<fvMatrix<Type> >&, Istream&);
 523
 524
 525 //- Solve returning the solution statistics given convergence tolerance
 526 //  Solver controls read fvSolution
 527 template<class Type>
 528 lduMatrix::solverPerformance solve(fvMatrix<Type>&);
 529
 530
 531 //- Solve returning the solution statistics given convergence tolerance,
 532 //  deleting temporary matrix after solution.
 533 //  Solver controls read fvSolution
 534 template<class Type>
 535 lduMatrix::solverPerformance solve(const tmp<fvMatrix<Type> >&);
 536
 537
 538 // * * * * * * * * * * * * * * * Global operators  * * * * * * * * * * * * * //
 539
 540 template<class Type>
 541 tmp<fvMatrix<Type> > operator==
 542 (
 543     const fvMatrix<Type>&,
 544     const fvMatrix<Type>&
 545 );
 546
 547 template<class Type>
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 604 template<class Type>
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 767
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 776 tmp<fvMatrix<Type> > operator+
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 796
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 804 template<class Type>
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 811 template<class Type>
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 852 );
 853
 854 template<class Type>
 855 tmp<fvMatrix<Type> > operator-
 856 (
 857     const tmp<fvMatrix<Type> >&,
 858     const tmp<DimensionedField<Type, volMesh> >&
 859 );
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 861 template<class Type>
 862 tmp<fvMatrix<Type> > operator-
 863 (
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 866 );
 867
 868 template<class Type>
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 890 tmp<fvMatrix<Type> > operator-
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 912 tmp<fvMatrix<Type> > operator-
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 914     const fvMatrix<Type>&,
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 916 );
 917
 918 template<class Type>
 919 tmp<fvMatrix<Type> > operator-
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 923 );
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 925 template<class Type>
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 931
 932 template<class Type>
 933 tmp<fvMatrix<Type> > operator-
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 937 );
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 939
 940 template<class Type>
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 947 template<class Type>
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 953
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 961 template<class Type>
 962 tmp<fvMatrix<Type> > operator*
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 967
 968 template<class Type>
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 974
 975 template<class Type>
 976 tmp<fvMatrix<Type> > operator*
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 979     const tmp<fvMatrix<Type> >&
 980 );
 981
 982
 983 template<class Type>
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 988 );
 989
 990 template<class Type>
 991 tmp<fvMatrix<Type> > operator*
 992 (
 993     const dimensioned<scalar>&,
 994     const tmp<fvMatrix<Type> >&
 995 );
 996
 997
 998 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
 999
1000 } // End namespace Foam
1001
1002 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
1003
1004 #ifdef NoRepository
1005 #   include "fvMatrix.C"
1006 #endif
1007
1008 // Specialisation for scalars
1009 #include "fvScalarMatrix.H"
1010
1011 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
1012
1013 #endif
1014
1015 // ************************************************************************* //