Fluidsim

FluidSim

Visão Geral

FluidSim é um framework Python orientado a objetos para simulações de dinâmica de fluidos computacional (CFD) de alto desempenho. Fornece solvers para equações em domínios periódicos usando métodos pseudoespectrais com FFT, entregando desempenho comparável ao Fortran/C++ mantendo a facilidade de uso do Python.

Principais forças:

• Múltiplos solvers: Navier-Stokes 2D/3D, águas rasas, escoamentos estratificados
• Alto desempenho: compilação Pythran/Transonic, paralelização MPI
• Fluxo completo: configuração de parâmetros, execução de simulação, análise de saída
• Análise interativa: pós-processamento e visualização baseados em Python

Capacidades Principais

1. Instalação e Configuração

Instale fluidsim usando uv com flags de recursos apropriados:

# Instalação básica
uv pip install fluidsim

# Com suporte FFT (necessário para a maioria dos solvers)
uv pip install "fluidsim[fft]"

# Com MPI para computação paralela
uv pip install "fluidsim[fft,mpi]"

Defina variáveis de ambiente para diretórios de saída (opcional):

export FLUIDSIM_PATH=/path/to/simulation/outputs
export FLUIDDYN_PATH_SCRATCH=/path/to/working/directory

Nenhuma chave de API ou autenticação necessária.

Veja references/installation.md para instruções de instalação completas e configuração de ambiente.

2. Executando Simulações

O fluxo padrão consiste em cinco etapas:

Etapa 1: Importar solver

from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul

Etapa 2: Criar e configurar parâmetros

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 256
params.oper.Lx = params.oper.Ly = 2 * 3.14159
params.nu_2 = 1e-3
params.time_stepping.t_end = 10.0
params.init_fields.type = "noise"

Etapa 3: Instanciar simulação

sim = Simul(params)

Etapa 4: Executar

sim.time_stepping.start()

Etapa 5: Analisar resultados

sim.output.phys_fields.plot("vorticity")
sim.output.spatial_means.plot()

Veja references/simulation_workflow.md para exemplos completos, reinicialização de simulações e deployment em clusters.

3. Solvers Disponíveis

Escolha o solver baseado no problema físico:

Navier-Stokes 2D (ns2d): turbulência 2D, dinâmica de vórtices

from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul

Navier-Stokes 3D (ns3d): turbulência 3D, escoamentos realistas

from fluidsim.solvers.ns3d.solver import Simul

Escoamentos estratificados (ns2d.strat, ns3d.strat): escoamentos oceânicos/atmosféricos

from fluidsim.solvers.ns2d.strat.solver import Simul
params.N = 1.0  # frequência de Brunt-Väisälä

Águas rasas (sw1l): escoamentos geofísicos, sistemas rotativos

from fluidsim.solvers.sw1l.solver import Simul
params.f = 1.0  # parâmetro de Coriolis

Veja references/solvers.md para lista completa de solvers e orientação de seleção.

4. Configuração de Parâmetros

Os parâmetros são organizados hierarquicamente e acessados via notação de ponto:

Domínio e resolução:

params.oper.nx = 256  # pontos de grade
params.oper.Lx = 2 * pi  # tamanho do domínio

Parâmetros físicos:

params.nu_2 = 1e-3  # viscosidade
params.nu_4 = 0     # hiperviscosidade (opcional)

Integração temporal:

params.time_stepping.t_end = 10.0
params.time_stepping.USE_CFL = True  # passo de tempo adaptativo
params.time_stepping.CFL = 0.5

Condições iniciais:

params.init_fields.type = "noise"  # ou "dipole", "vortex", "from_file", "in_script"

Configurações de saída:

params.output.periods_save.phys_fields = 1.0  # salvar a cada 1.0 unidades de tempo
params.output.periods_save.spectra = 0.5
params.output.periods_save.spatial_means = 0.1

O objeto Parameters levanta AttributeError para erros de digitação, prevenindo erros silenciosos de configuração.

Veja references/parameters.md para documentação de parâmetros abrangente.

5. Saída e Análise

FluidSim produz múltiplos tipos de saída automaticamente salvos durante a simulação:

Campos físicos: Velocidade, vorticidade em formato HDF5

sim.output.phys_fields.plot("vorticity")
sim.output.phys_fields.plot("vx")

Médias espaciais: Séries temporais de quantidades volume-média

sim.output.spatial_means.plot()

Espectros: Espectros de energia e enstrofia

sim.output.spectra.plot1d()
sim.output.spectra.plot2d()

Carregar simulações anteriores:

from fluidsim import load_sim_for_plot
sim = load_sim_for_plot("simulation_dir")
sim.output.phys_fields.plot()

Visualização avançada: Abra arquivos .h5 em ParaView ou VisIt para visualização 3D.

Veja references/output_analysis.md para fluxos de análise detalhados, análise de estudos paramétricos e exportação de dados.

6. Recursos Avançados

Forçamento customizado: Manter turbulência ou dirigir dinâmicas específicas

params.forcing.enable = True
params.forcing.type = "tcrandom"  # forçamento aleatório correlacionado no tempo
params.forcing.forcing_rate = 1.0

Condições iniciais customizadas: Definir campos em script

params.init_fields.type = "in_script"
sim = Simul(params)
X, Y = sim.oper.get_XY_loc()
vx = sim.state.state_phys.get_var("vx")
vx[:] = sin(X) * cos(Y)
sim.time_stepping.start()

Paralelização MPI: Executar em múltiplos processadores

mpirun -np 8 python simulation_script.py

Estudos paramétricos: Executar múltiplas simulações com parâmetros diferentes

for nu in [1e-3, 5e-4, 1e-4]:
    params = Simul.create_default_params()
    params.nu_2 = nu
    params.output.sub_directory = f"nu{nu}"
    sim = Simul(params)
    sim.time_stepping.start()

Veja references/advanced_features.md para tipos de forçamento, solvers customizados, submissão em clusters e otimização de desempenho.

Casos de Uso Comuns

Estudo de Turbulência 2D

from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul
from math import pi

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 512
params.oper.Lx = params.oper.Ly = 2 * pi
params.nu_2 = 1e-4
params.time_stepping.t_end = 50.0
params.time_stepping.USE_CFL = True
params.init_fields.type = "noise"
params.output.periods_save.phys_fields = 5.0
params.output.periods_save.spectra = 1.0

sim = Simul(params)
sim.time_stepping.start()

# Analisar cascata de energia
sim.output.spectra.plot1d(tmin=30.0, tmax=50.0)

Simulação de Escoamento Estratificado

from fluidsim.solvers.ns2d.strat.solver import Simul

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 256
params.N = 2.0  # força de estratificação
params.nu_2 = 5e-4
params.time_stepping.t_end = 20.0

# Inicializar com camada densa
params.init_fields.type = "in_script"
sim = Simul(params)
X, Y = sim.oper.get_XY_loc()
b = sim.state.state_phys.get_var("b")
b[:] = exp(-((X - 3.14)**2 + (Y - 3.14)**2) / 0.5)
sim.state.statephys_from_statespect()

sim.time_stepping.start()
sim.output.phys_fields.plot("b")

Simulação 3D de Alta Resolução com MPI

from fluidsim.solvers.ns3d.solver import Simul

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = params.oper.nz = 512
params.nu_2 = 1e-5
params.time_stepping.t_end = 10.0
params.init_fields.type = "noise"

sim = Simul(params)
sim.time_stepping.start()

Execute com:

mpirun -np 64 python script.py

Validação de Vórtice de Taylor-Green

from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul
import numpy as np
from math import pi

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 128
params.oper.Lx = params.oper.Ly = 2 * pi
params.nu_2 = 1e-3
params.time_stepping.t_end = 10.0
params.init_fields.type = "in_script"

sim = Simul(params)
X, Y = sim.oper.get_XY_loc()
vx = sim.state.state_phys.get_var("vx")
vy = sim.state.state_phys.get_var("vy")
vx[:] = np.sin(X) * np.cos(Y)
vy[:] = -np.cos(X) * np.sin(Y)
sim.state.statephys_from_statespect()

sim.time_stepping.start()

# Validar decaimento de energia
df = sim.output.spatial_means.load()
# Comparar com solução analítica

Referência Rápida

Importar solver: from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul

Criar parâmetros: params = Simul.create_default_params()

Definir resolução: params.oper.nx = params.oper.ny = 256

Definir viscosidade: params.nu_2 = 1e-3

Definir tempo final: params.time_stepping.t_end = 10.0

Executar simulação: sim = Simul(params); sim.time_stepping.start()

Plotar resultados: sim.output.phys_fields.plot("vorticity")

Carregar simulação: sim = load_sim_for_plot("path/to/sim")

Recursos

Documentação: https://fluidsim.readthedocs.io/

Arquivos de referência:

• references/installation.md: Instruções de instalação completas
• references/solvers.md: Solvers disponíveis e guia de seleção
• references/simulation_workflow.md: Exemplos de fluxo detalhados
• references/parameters.md: Documentação abrangente de parâmetros
• references/output_analysis.md: Tipos de saída e métodos de análise
• references/advanced_features.md: Forçamento, MPI, estudos paramétricos, solvers customizados