Line data Source code
1 0 : // Distributed under the MIT License.
2 : // See LICENSE.txt for details.
3 :
4 : #pragma once
5 :
6 : #include <memory>
7 : #include <optional>
8 : #include <pup.h>
9 :
10 : #include "DataStructures/DataBox/Prefixes.hpp"
11 : #include "DataStructures/Tensor/TypeAliases.hpp"
12 : #include "Evolution/Systems/ForceFree/BoundaryCorrections/BoundaryCorrection.hpp"
13 : #include "Evolution/Systems/ForceFree/Tags.hpp"
14 : #include "NumericalAlgorithms/DiscontinuousGalerkin/Formulation.hpp"
15 : #include "Options/String.hpp"
16 : #include "PointwiseFunctions/GeneralRelativity/TagsDeclarations.hpp"
17 : #include "Utilities/Serialization/CharmPupable.hpp"
18 : #include "Utilities/TMPL.hpp"
19 :
20 : /// \cond
21 : class DataVector;
22 : namespace gsl {
23 : template <typename T>
24 : class not_null;
25 : } // namespace gsl
26 : namespace PUP {
27 : class er;
28 : } // namespace PUP
29 : /// \endcond
30 :
31 : namespace ForceFree::BoundaryCorrections {
32 :
33 : /*!
34 : * \brief A Rusanov/local Lax-Friedrichs Riemann solver
35 : *
36 : * Let \f$U\f$ be the evolved variables, \f$F^i\f$ the corresponding fluxes, and
37 : * \f$n_i\f$ be the outward directed unit normal to the interface. Denoting \f$F
38 : * := n_i F^i\f$, the %Rusanov boundary correction is
39 : *
40 : * \f{align*}
41 : * G_\text{Rusanov} = \frac{F_\text{int} - F_\text{ext}}{2} -
42 : * \frac{\text{max}\left(|\lambda_\text{int}|,
43 : * |\lambda_\text{ext}|\right)}{2} \left(U_\text{ext} - U_\text{int}\right),
44 : * \f}
45 : *
46 : * where "int" and "ext" stand for interior and exterior, and
47 : * \f$\lambda\f$ is the characteristic/signal speed. The minus sign in
48 : * front of the \f$F_{\text{ext}}\f$ is necessary because the outward directed
49 : * normal of the neighboring element has the opposite sign, i.e.
50 : * \f$n_i^{\text{ext}}=-n_i^{\text{int}}\f$.
51 : *
52 : * For the GRFFE system the largest characteristic speeds \f$\lambda\f$ of our
53 : * interest are given as
54 : *
55 : * \f{align*}{
56 : * \lambda_{\pm} = -\beta^i n_i \pm \alpha.
57 : * \f}
58 : *
59 : * which correspond to fast mode waves.
60 : *
61 : * \note In the strong form the `dg_boundary_terms` function returns
62 : * \f$G - F_\text{int}\f$
63 : *
64 : */
65 1 : class Rusanov final : public BoundaryCorrection {
66 : private:
67 0 : struct AbsCharSpeed : db::SimpleTag {
68 0 : using type = Scalar<DataVector>;
69 : };
70 :
71 : public:
72 0 : using options = tmpl::list<>;
73 0 : static constexpr Options::String help = {
74 : "Computes the Rusanov or local Lax-Friedrichs boundary correction term "
75 : "for the GRFFE system."};
76 :
77 0 : Rusanov() = default;
78 0 : Rusanov(const Rusanov&) = default;
79 0 : Rusanov& operator=(const Rusanov&) = default;
80 0 : Rusanov(Rusanov&&) = default;
81 0 : Rusanov& operator=(Rusanov&&) = default;
82 0 : ~Rusanov() override = default;
83 :
84 : /// \cond
85 : explicit Rusanov(CkMigrateMessage* /*unused*/);
86 : using PUP::able::register_constructor;
87 : WRAPPED_PUPable_decl_template(Rusanov); // NOLINT
88 : /// \endcond
89 0 : void pup(PUP::er& p) override; // NOLINT
90 :
91 0 : std::unique_ptr<BoundaryCorrection> get_clone() const override;
92 :
93 0 : using dg_package_field_tags =
94 : tmpl::list<Tags::TildeE, Tags::TildeB, Tags::TildePsi, Tags::TildePhi,
95 : Tags::TildeQ, ::Tags::NormalDotFlux<Tags::TildeE>,
96 : ::Tags::NormalDotFlux<Tags::TildeB>,
97 : ::Tags::NormalDotFlux<Tags::TildePsi>,
98 : ::Tags::NormalDotFlux<Tags::TildePhi>,
99 : ::Tags::NormalDotFlux<Tags::TildeQ>, AbsCharSpeed>;
100 0 : using dg_package_data_temporary_tags =
101 : tmpl::list<gr::Tags::Lapse<DataVector>, gr::Tags::Shift<DataVector, 3>>;
102 0 : using dg_package_data_primitive_tags = tmpl::list<>;
103 0 : using dg_package_data_volume_tags = tmpl::list<>;
104 0 : using dg_boundary_terms_volume_tags = tmpl::list<>;
105 :
106 0 : static double dg_package_data(
107 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>*> packaged_tilde_e,
108 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>*> packaged_tilde_b,
109 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_tilde_psi,
110 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_tilde_phi,
111 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_tilde_q,
112 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>*>
113 : packaged_normal_dot_flux_tilde_e,
114 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>*>
115 : packaged_normal_dot_flux_tilde_b,
116 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_normal_dot_flux_tilde_psi,
117 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_normal_dot_flux_tilde_phi,
118 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_normal_dot_flux_tilde_q,
119 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> packaged_abs_char_speed,
120 :
121 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& tilde_e,
122 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& tilde_b,
123 : const Scalar<DataVector>& tilde_psi, const Scalar<DataVector>& tilde_phi,
124 : const Scalar<DataVector>& tilde_q,
125 :
126 : const tnsr::IJ<DataVector, 3, Frame::Inertial>& flux_tilde_e,
127 : const tnsr::IJ<DataVector, 3, Frame::Inertial>& flux_tilde_b,
128 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& flux_tilde_psi,
129 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& flux_tilde_phi,
130 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& flux_tilde_q,
131 :
132 : const Scalar<DataVector>& lapse,
133 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& shift,
134 :
135 : const tnsr::i<DataVector, 3, Frame::Inertial>& normal_covector,
136 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& normal_vector,
137 : const std::optional<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>>&
138 : /*mesh_velocity*/,
139 : const std::optional<Scalar<DataVector>>& normal_dot_mesh_velocity);
140 :
141 0 : static void dg_boundary_terms(
142 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>*>
143 : boundary_correction_tilde_e,
144 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>*>
145 : boundary_correction_tilde_b,
146 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> boundary_correction_tilde_psi,
147 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> boundary_correction_tilde_phi,
148 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> boundary_correction_tilde_q,
149 :
150 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& tilde_e_int,
151 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& tilde_b_int,
152 : const Scalar<DataVector>& tilde_psi_int,
153 : const Scalar<DataVector>& tilde_phi_int,
154 : const Scalar<DataVector>& tilde_q_int,
155 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>&
156 : normal_dot_flux_tilde_e_int,
157 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>&
158 : normal_dot_flux_tilde_b_int,
159 : const Scalar<DataVector>& normal_dot_flux_tilde_psi_int,
160 : const Scalar<DataVector>& normal_dot_flux_tilde_phi_int,
161 : const Scalar<DataVector>& normal_dot_flux_tilde_q_int,
162 : const Scalar<DataVector>& abs_char_speed_int,
163 :
164 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& tilde_e_ext,
165 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>& tilde_b_ext,
166 : const Scalar<DataVector>& tilde_psi_ext,
167 : const Scalar<DataVector>& tilde_phi_ext,
168 : const Scalar<DataVector>& tilde_q_ext,
169 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>&
170 : normal_dot_flux_tilde_e_ext,
171 : const tnsr::I<DataVector, 3, Frame::Inertial>&
172 : normal_dot_flux_tilde_b_ext,
173 : const Scalar<DataVector>& normal_dot_flux_tilde_psi_ext,
174 : const Scalar<DataVector>& normal_dot_flux_tilde_phi_ext,
175 : const Scalar<DataVector>& normal_dot_flux_tilde_q_ext,
176 : const Scalar<DataVector>& abs_char_speed_ext,
177 : dg::Formulation dg_formulation);
178 : };
179 :
180 0 : bool operator==(const Rusanov& lhs, const Rusanov& rhs);
181 0 : bool operator!=(const Rusanov& lhs, const Rusanov& rhs);
182 :
183 : } // namespace ForceFree::BoundaryCorrections
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