ジェリス（ソフトウェア）

ジェリス
	RVタンガロア周辺の空気の流れ
初回リリース	2001年; 23年前
書かれた	Ｃ
オペレーティング·システム	Unix、Linux
後継	バジリスク
タイプ	CFD
ライセンス	ライセンス
Webサイト	gfs.sourceforge.net

Gerris は、数値流体力学(CFD)の分野におけるコンピュータソフトウェアです。Gerris は、 GNU 一般公衆利用許諾書(GPL) バージョン 2 以降の要件に従って、無料のオープンソースソフトウェアとしてリリースされました。

範囲

Gerris は2 次元または 3 次元でナビエ・ストークス方程式を解き、多相流 (表面張力を含む) の正確な定式化により、工業用流体 (空気力学、内部流れなど) や、たとえば液滴の力学をモデル化できます。実際、後者の研究分野が、このソフトウェアが昆虫の属と同じ名前を共有している理由です。

Gerris は、地球物理学的流れに関連する機能も提供します。

海の潮汐^[1]
津波^[2]^[3]
川の流れ^[4]
海の渦^[5]
海の状態（表面波）^[6]^[7]

流れのタイプ1から3は、Gerrisに含まれる浅水ソルバーを使用して研究されました。ケース4はプリミティブ方程式を導入し、アプリケーション5はうねり（および/または風海）の生成/伝播/消散のスペクトル方程式に依存しています。この目的のために、 GerrisはWaveWatchIIIのソース項を使用しています。^[8]

最後に、（非静水力学的）ナビエ・ストークスソルバーは海洋でも以下の研究に使用されたことに注目してください。

河川のプルーム^[9]
内部波^[10]
熱水対流^[11]

逆に、Gerris では圧縮性流体 (超音速流) のモデリングは許可されません。

数値スキーム

偏微分方程式の数値解を得るにはいくつかの方法があります。

Gerris は、CFD モデルの 有限体積ファミリーに属します。

グリッドの種類

ほとんどのモデルは、構造化メッシュ（直交座標または曲線グリッド）または非構造化メッシュ（三角形、四面体など）を使用します。Gerrisはこの点でまったく異なります。ツリーデータ構造を使用して構造化メッシュと非構造化メッシュの取り決めを実装し、^[a]圧力および速度場の（有限体積）記述を局所的（および動的）に改良できます。実際、グリッドは、ユーザーが定義した基準（急勾配付近のグリッドの動的な改良など）により、特定のシミュレーションの過程で進化します。

乱気流の閉鎖

Gerrisは主にDNSを対象としているため、ユーザーが利用できるレイノルズの範囲は、ユーザーが利用できる計算能力に依存します（ただし、自動適応メッシュを使用すると、計算リソースをコヒーレント構造に集中させることができます）。Gerris FAQ ^{[12]によると}、乱流モデルの実装は、RANSアプローチではなくLESファミリーに重点を置く予定です。

プログラミング言語、ライブラリの依存関係、含まれるツール

Gerrisは、 Glibライブラリ（オブジェクト指向、モジュールの動的ロードなど）とGTSライブラリを使用してCで開発されています。^[13]後者は、固体表面の三角形分割や流体セルとの交差などの幾何学的計算を実行する機能を備えています。さらに、GerrisはMPI並列化（動的負荷分散を含む）に完全に準拠しています。

Gerris では、グリッドのローカル (および時間依存) な改良はソルバー自体が担当するため、メッシュ作成ツールは必要ありません。固体表面に関しては、いくつかの入力形式が認識されます。

パラメータファイル内の解析式
GTS三角ファイル。Gerrisディストリビューションには、STL形式（さまざまなCADソフトウェアによってエクスポート）をGTS三角サーフェスに変換するツールが含まれています。
KDT形式の水深/地形データベース。単純なASCIIリストからこのようなデータベースを生成するツールも提供されています。

Gerris の結果を出力するさまざまな方法のうち、ここでは次のものについて説明します。

PPM 形式のグラフィカル出力: 画像はImageMagick を使用して (ほぼ) あらゆる形式に変換でき、 FFmpegなどを使用して MPEG ムービーを生成できます。
シミュレーションファイル ( .gfs ) は、実際にはシミュレーションから発行されたフィールドと連結されたパラメーターファイルです。これらのファイルは、(i) パラメーターファイルとして再利用したり (新しい初期条件を定義)、(ii) Gfsviewで処理したりできます。
Gerrisに同梱されている表示ソフトウェアGfsviewは、 Gerrisグリッドのツリー構造（一般的な可視化ソフトウェアでは効率的に操作できないデータ構造^[b] ）に対応できます。

ライセンス

CFD ソフトウェアは、他のソフトウェアと同様に、さまざまな「領域」で開発できます。

仕事;
アカデミック;
オープンソース。

CFDに関しては、これらのソフトウェア開発パスに関する詳細な議論は、ザレスキの声明で見つけることができます。^[14]

Gerrisはプロジェクト開始当初からフリーのオープンソースソフトウェアとして配布されていました。 ^[15]^[16]

継続的な開発

ソフトウェア組織の再設計に続いて、GerrisはBasilisk ^[17]となり、さまざまなデータ構造（もちろんquadtree/octreeを含む）と反復、導出などの最適化された演算子を使用して、独自のソルバー（必ずしも流体力学ではない）を開発できるようになりました。ソルバーはC言語、より具体的にはBasilisk Cで書かれています。ただし、ナビエ・ストークスやサン・ヴナンなど、多くのソルバーが「ターンキー」で利用できます。

参照

流体力学の分野では、他のコンピューティングソフトウェアも無料で利用できます。以下にその一部を示します (開発が無料ライセンスで開始されなかった場合、オープンソースに移行した年が括弧内に記載されています)。

工業用流体

地球物理学的流体

ポム（1999）
ROM ^[18]
GOTM ^[19]
テレマック（2010年、2011年、マスカレ^[20]）
デルフト3D ^[21] (2011)

注記

^ 2D では 4 分木、3D では8 分木
^ ただし、Gerris は結果を Esri Grid 形式でエクスポートするモジュールも提供しています。

参考文献

^ Msadek, R. (2005). 「クック海峡の流体力学的潮汐モデル」。国立水・大気研究所技術報告書。
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^ ウェーブウォッチIII
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^ バジリスク
^ ROMS
^ GOTM
^ テレマック・マスカレ
^ デルフト3D

[12] ^ 2D では 4 分木、3D では8 分木

[15] ただし、Gerris は結果を Esri Grid 形式でエクスポートするモジュールも提供しています。

[1] Msadek, R. (2005). 「クック海峡の流体力学的潮汐モデル」。国立水・大気研究所技術報告書。

[2] Popinet, S. (2012). 「東北地方太平洋沖地震津波における長距離波動伝播と微細規模洪水の適応モデル化」.自然災害と地球システム科学. 12 (4): 1213–1227. Bibcode :2012NHESS..12.1213P. doi : 10.5194/nhess-12-1213-2012 .

[3] Popinet, S. (2011). 「Quadtree-adaptive tsunami modelling」. Ocean Dynamics . 61 (9): 1261–1285. Bibcode :2011OcDyn..61.1261P. CiteSeerX 10.1.1.374.7506 . doi :10.1007/s10236-011-0438-z. S2CID 14848237.

[4] ^ Hyunuk, A.; Soonyoung, Y. (2012). 「クワッドツリー カットセルグリッド上でのバランスのとれた浅水流シミュレーション」。水資源の進歩。39 : 60–70。Bibcode : 2012AdWR ... 39...60A。doi :10.1016/j.advwatres.2012.01.003 。

[5] Popinet, S.; Rickard, G. (2007). 「適応型海洋モデリングのためのツリーベースソルバー」(PDF) .海洋モデリング. 16 (3–4): 224–249. Bibcode :2007OcMod..16..224P. doi :10.1016/j.ocemod.2006.10.002.

[6] Tsai, C.-C.; Hou, T.-H.; Popinet, S. (2013). 「四分木適応モデルによる熱帯低気圧の風波予測」. Coastal Engineering . 77 : 108–119. doi :10.1016/j.coastaleng.2013.02.011.

[7] Popinet, S.; Gorman, RM; Rickard, GJ; Tolman, HL (2010). 「四分木適応スペクトル波モデル」.海洋モデリング. 34 (1–2): 36–49. Bibcode :2010OcMod..34...36P. CiteSeerX 10.1.1.374.5299 . doi :10.1016/j.ocemod.2010.04.003. S2CID 14415336.

[8] ウェーブウォッチIII

[9] O'Callaghan, J.; Rickard, G.; Popinet, S.; Stevens, C. (2010). 「適応型ソルバーを使用して調査した過渡放電に対する浮遊性プルームの応答」。Journal of Geophysical Research。115 ( C11): C11025。Bibcode :2010JGRC..11511025O。doi : 10.1029 / 2009jc005645。

[10] Rickard, G.; O'Callaghan, J.; Popinet, S. (2009). 「適応モデルを用いた均一傾斜と相互作用する内部孤立波の数値シミュレーション」.海洋モデリング. 30 (1): 16–28. Bibcode :2009OcMod..30...16R. doi :10.1016/j.ocemod.2009.05.008.

[11] Tao, Y.; Rosswog, S.; Brüggen, M. (2013). 「熱水プルームのシミュレーションモデリングアプローチと解析モデルとの比較」.海洋モデリング. 61 : 68–80. Bibcode :2013OcMod..61...68T. doi :10.1016/j.ocemod.2012.10.001.

[13] “Gerris (よくある質問)”。2018年6月12日時点のオリジナルよりアーカイブ。2013年5月15日閲覧。

[14] GTS

[16] Stéphane Zaleski (2001). 「科学と流体力学にはもっとオープンソースが必要」. Institut Jean le Rond d'Alembert . 2013年5月12日閲覧。

[17] Popinet, S. (2003). 「Gerris: 複雑な形状における非圧縮オイラー方程式のツリーベース適応ソルバー」. Journal of Computational Physics . 190 (2): 572–600. Bibcode :2003JCoPh.190..572P. CiteSeerX 10.1.1.12.5063 . doi :10.1016/s0021-9991(03)00298-5.

[18] Popinet, S. (2004). 「フリー計算流体力学」Cluster World 2 : 2–8.

[19] バジリスク

[20] ROMS

[21] GOTM

[22] テレマック・マスカレ

[23] デルフト3D