SpECTRE Documentation Coverage Report
Current view: top level - PointwiseFunctions/AnalyticSolutions/Poisson - ProductOfSinusoids.hpp Coverage Total Hit
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Test Date: 2026-10-22 17:29:42
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            Line data    Source code
       1            0 : // Distributed under the MIT License.
       2              : // See LICENSE.txt for details.
       3              : 
       4              : #pragma once
       5              : 
       6              : #include <array>
       7              : #include <cstddef>
       8              : #include <limits>
       9              : #include <pup.h>
      10              : 
      11              : #include "DataStructures/CachedTempBuffer.hpp"
      12              : #include "DataStructures/ComplexDataVector.hpp"
      13              : #include "DataStructures/DataBox/Prefixes.hpp"
      14              : #include "DataStructures/DataVector.hpp"
      15              : #include "DataStructures/TaggedTuple.hpp"
      16              : #include "DataStructures/Tensor/Tensor.hpp"
      17              : #include "Elliptic/Systems/Poisson/Tags.hpp"
      18              : #include "NumericalAlgorithms/LinearOperators/PartialDerivatives.hpp"
      19              : #include "NumericalAlgorithms/Spectral/Mesh.hpp"
      20              : #include "Options/String.hpp"
      21              : #include "PointwiseFunctions/InitialDataUtilities/AnalyticSolution.hpp"
      22              : #include "Utilities/ContainerHelpers.hpp"
      23              : #include "Utilities/Gsl.hpp"
      24              : #include "Utilities/TMPL.hpp"
      25              : 
      26              : namespace Poisson::Solutions {
      27              : 
      28              : namespace detail {
      29              : template <typename DataType, size_t Dim>
      30              : struct ProductOfSinusoidsVariables {
      31              :   using Cache = CachedTempBuffer<
      32              :       Tags::Field<DataType>,
      33              :       ::Tags::deriv<Tags::Field<DataType>, tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>,
      34              :       ::Tags::Flux<Tags::Field<DataType>, tmpl::size_t<Dim>, Frame::Inertial>,
      35              :       ::Tags::FixedSource<Tags::Field<DataType>>>;
      36              : 
      37              :   // NOLINTNEXTLINE(cppcoreguidelines-avoid-const-or-ref-data-members)
      38              :   const tnsr::I<DataVector, Dim>& x;
      39              :   std::array<double, Dim> wave_numbers;
      40              :   double complex_phase;
      41              : 
      42              :   void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataType>*> field,
      43              :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      44              :                   Tags::Field<DataType> /*meta*/) const;
      45              :   void operator()(gsl::not_null<tnsr::i<DataType, Dim>*> field_gradient,
      46              :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      47              :                   ::Tags::deriv<Tags::Field<DataType>, tmpl::size_t<Dim>,
      48              :                                 Frame::Inertial> /*meta*/) const;
      49              :   void operator()(gsl::not_null<tnsr::I<DataType, Dim>*> flux_for_field,
      50              :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      51              :                   ::Tags::Flux<Tags::Field<DataType>, tmpl::size_t<Dim>,
      52              :                                Frame::Inertial> /*meta*/) const;
      53              :   void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataType>*> fixed_source_for_field,
      54              :                   gsl::not_null<Cache*> cache,
      55              :                   ::Tags::FixedSource<Tags::Field<DataType>> /*meta*/) const;
      56              : };
      57              : }  // namespace detail
      58              : 
      59              : /*!
      60              :  * \brief A product of sinusoids \f$u(\boldsymbol{x}) = \prod_i \sin(k_i x_i)\f$
      61              :  *
      62              :  * \details Solves the Poisson equation \f$-\Delta u(x)=f(x)\f$ for a source
      63              :  * \f$f(x)=\boldsymbol{k}^2\prod_i \sin(k_i x_i)\f$.
      64              :  *
      65              :  * If `DataType` is `ComplexDataVector`, the solution is multiplied by
      66              :  * `exp(i * complex_phase)` to rotate it in the complex plane. This allows to
      67              :  * use this solution for the complex Poisson equation.
      68              :  */
      69              : template <size_t Dim, typename DataType = DataVector>
      70            1 : class ProductOfSinusoids : public elliptic::analytic_data::AnalyticSolution {
      71              :  public:
      72            0 :   struct WaveNumbers {
      73            0 :     using type = std::array<double, Dim>;
      74            0 :     static constexpr Options::String help{"The wave numbers of the sinusoids"};
      75              :   };
      76              : 
      77            0 :   struct ComplexPhase {
      78            0 :     using type = double;
      79            0 :     static constexpr Options::String help{
      80              :         "Phase 'phi' of a complex exponential 'exp(i phi)' that rotates the "
      81              :         "solution in the complex plane."};
      82              :   };
      83              : 
      84            0 :   using options = tmpl::flatten<tmpl::list<
      85              :       WaveNumbers,
      86              :       tmpl::conditional_t<std::is_same_v<DataType, ComplexDataVector>,
      87              :                           ComplexPhase, tmpl::list<>>>>;
      88            0 :   static constexpr Options::String help{
      89              :       "A product of sinusoids that are taken of a wave number times the "
      90              :       "coordinate in each dimension."};
      91              : 
      92            0 :   ProductOfSinusoids() = default;
      93            0 :   ProductOfSinusoids(const ProductOfSinusoids&) = default;
      94            0 :   ProductOfSinusoids& operator=(const ProductOfSinusoids&) = default;
      95            0 :   ProductOfSinusoids(ProductOfSinusoids&&) = default;
      96            0 :   ProductOfSinusoids& operator=(ProductOfSinusoids&&) = default;
      97            0 :   ~ProductOfSinusoids() override = default;
      98            0 :   std::unique_ptr<elliptic::analytic_data::AnalyticSolution> get_clone()
      99              :       const override {
     100              :     return std::make_unique<ProductOfSinusoids>(*this);
     101              :   }
     102              : 
     103              :   /// \cond
     104              :   explicit ProductOfSinusoids(CkMigrateMessage* m)
     105              :       : elliptic::analytic_data::AnalyticSolution(m) {}
     106              :   using PUP::able::register_constructor;
     107              :   WRAPPED_PUPable_decl_template(ProductOfSinusoids);  // NOLINT
     108              :   /// \endcond
     109              : 
     110            0 :   explicit ProductOfSinusoids(const std::array<double, Dim>& wave_numbers,
     111              :                               const double complex_phase = 0.)
     112              :       : wave_numbers_(wave_numbers), complex_phase_(complex_phase) {
     113              :     ASSERT((std::is_same_v<DataType, ComplexDataVector> or complex_phase == 0.),
     114              :            "The complex phase is only supported for ComplexDataVector.");
     115              :   }
     116              : 
     117              :   template <typename... RequestedTags>
     118            0 :   tuples::TaggedTuple<RequestedTags...> variables(
     119              :       const tnsr::I<DataVector, Dim>& x,
     120              :       tmpl::list<RequestedTags...> /*meta*/) const {
     121              :     using VarsComputer = detail::ProductOfSinusoidsVariables<DataType, Dim>;
     122              :     typename VarsComputer::Cache cache{get_size(*x.begin())};
     123              :     const VarsComputer computer{x, wave_numbers_, complex_phase_};
     124              :     return {cache.get_var(computer, RequestedTags{})...};
     125              :   }
     126              : 
     127              :   template <typename... RequestedTags>
     128            0 :   tuples::TaggedTuple<RequestedTags...> variables(
     129              :       const tnsr::I<DataVector, Dim>& x, const Mesh<Dim>& /*mesh*/,
     130              :       const InverseJacobian<DataVector, Dim, Frame::ElementLogical,
     131              :                             Frame::Inertial>& /*inv_jacobian*/,
     132              :       tmpl::list<RequestedTags...> meta) const {
     133              :     return variables(x, meta);
     134              :   }
     135              : 
     136              :   // NOLINTNEXTLINE(google-runtime-references)
     137            0 :   void pup(PUP::er& p) override {
     138              :     elliptic::analytic_data::AnalyticSolution::pup(p);
     139              :     p | wave_numbers_;
     140              :     p | complex_phase_;
     141              :   }
     142              : 
     143            0 :   const std::array<double, Dim>& wave_numbers() const { return wave_numbers_; }
     144            0 :   double complex_phase() const { return complex_phase_; }
     145              : 
     146              :  private:
     147            0 :   std::array<double, Dim> wave_numbers_{
     148              :       {std::numeric_limits<double>::signaling_NaN()}};
     149            0 :   double complex_phase_ = std::numeric_limits<double>::signaling_NaN();
     150              : };
     151              : 
     152              : /// \cond
     153              : template <size_t Dim, typename DataType>
     154              : PUP::able::PUP_ID ProductOfSinusoids<Dim, DataType>::my_PUP_ID = 0;  // NOLINT
     155              : /// \endcond
     156              : 
     157              : template <size_t Dim, typename DataType>
     158            0 : bool operator==(const ProductOfSinusoids<Dim, DataType>& lhs,
     159              :                 const ProductOfSinusoids<Dim, DataType>& rhs) {
     160              :   return lhs.wave_numbers() == rhs.wave_numbers() and
     161              :          lhs.complex_phase() == rhs.complex_phase();
     162              : }
     163              : 
     164              : template <size_t Dim, typename DataType>
     165            0 : bool operator!=(const ProductOfSinusoids<Dim, DataType>& lhs,
     166              :                 const ProductOfSinusoids<Dim, DataType>& rhs) {
     167              :   return not(lhs == rhs);
     168              : }
     169              : 
     170              : }  // namespace Poisson::Solutions
        

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