Line data Source code
1 0 : // Distributed under the MIT License.
2 : // See LICENSE.txt for details.
3 :
4 : #pragma once
5 :
6 : #include <cstddef>
7 :
8 : #include "DataStructures/CachedTempBuffer.hpp"
9 : #include "DataStructures/DataBox/Prefixes.hpp"
10 : #include "DataStructures/DataBox/Tag.hpp"
11 : #include "DataStructures/DataVector.hpp"
12 : #include "DataStructures/Tensor/Tensor.hpp"
13 : #include "DataStructures/VariablesTag.hpp"
14 : #include "Domain/Tags.hpp"
15 : #include "Elliptic/Systems/Xcts/Tags.hpp"
16 : #include "NumericalAlgorithms/LinearOperators/Divergence.hpp"
17 : #include "NumericalAlgorithms/LinearOperators/PartialDerivatives.hpp"
18 : #include "NumericalAlgorithms/Spectral/Mesh.hpp"
19 : #include "PointwiseFunctions/GeneralRelativity/Tags.hpp"
20 : #include "Utilities/Gsl.hpp"
21 : #include "Utilities/TMPL.hpp"
22 :
23 : namespace Xcts {
24 :
25 : namespace detail {
26 : template <typename DataType>
27 : struct ConformalLaplacianOfConformalFactor : db::SimpleTag {
28 : using type = Scalar<DataType>;
29 : };
30 : template <typename DataType>
31 : struct LongitudinalShiftMinusDtConformalMetric : db::SimpleTag {
32 : using type = tnsr::II<DataType, 3>;
33 : };
34 : } // namespace detail
35 :
36 : /// General-relativistic 3+1 quantities computed from XCTS variables.
37 1 : using SpacetimeQuantities = CachedTempBuffer<
38 : Tags::ConformalFactor<DataVector>,
39 : Tags::LapseTimesConformalFactor<DataVector>,
40 : // Derivatives of XCTS variables
41 : ::Tags::deriv<Tags::ConformalFactor<DataVector>, tmpl::size_t<3>,
42 : Frame::Inertial>,
43 : detail::ConformalLaplacianOfConformalFactor<DataVector>,
44 : ::Tags::deriv<Tags::LapseTimesConformalFactor<DataVector>, tmpl::size_t<3>,
45 : Frame::Inertial>,
46 : ::Tags::deriv<Tags::ShiftExcess<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
47 : tmpl::size_t<3>, Frame::Inertial>,
48 : Xcts::Tags::ShiftStrain<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
49 : Xcts::Tags::LongitudinalShiftExcess<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
50 : ::Tags::div<Tags::LongitudinalShiftExcess<DataVector, 3, Frame::Inertial>>,
51 : detail::LongitudinalShiftMinusDtConformalMetric<DataVector>,
52 : // ADM quantities
53 : gr::Tags::SpatialMetric<DataVector, 3>,
54 : gr::Tags::InverseSpatialMetric<DataVector, 3>, gr::Tags::Lapse<DataVector>,
55 : gr::Tags::Shift<DataVector, 3>, gr::Tags::ExtrinsicCurvature<DataVector, 3>,
56 : gr::Tags::SpatialChristoffelSecondKind<DataVector, 3>,
57 : // Constraints
58 : gr::Tags::HamiltonianConstraint<DataVector>,
59 : gr::Tags::MomentumConstraint<DataVector, 3>>;
60 :
61 : /// `CachedTempBuffer` computer class for 3+1 quantities from XCTS variables.
62 : /// See `Xcts::SpacetimeQuantities`.
63 1 : struct SpacetimeQuantitiesComputer {
64 0 : using Cache = SpacetimeQuantities;
65 :
66 0 : void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> conformal_factor,
67 : gsl::not_null<Cache*> cache,
68 : Tags::ConformalFactor<DataVector> /*meta*/) const;
69 0 : void operator()(
70 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> lapse_times_conformal_factor,
71 : gsl::not_null<Cache*> cache,
72 : Tags::LapseTimesConformalFactor<DataVector> /*meta*/) const;
73 0 : void operator()(gsl::not_null<tnsr::ii<DataVector, 3>*> spatial_metric,
74 : gsl::not_null<Cache*> cache,
75 : gr::Tags::SpatialMetric<DataVector, 3> /*meta*/) const;
76 0 : void operator()(gsl::not_null<tnsr::II<DataVector, 3>*> inv_spatial_metric,
77 : gsl::not_null<Cache*> cache,
78 : gr::Tags::InverseSpatialMetric<DataVector, 3> /*meta*/) const;
79 0 : void operator()(
80 : gsl::not_null<tnsr::i<DataVector, 3>*> deriv_conformal_factor,
81 : gsl::not_null<Cache*> cache,
82 : ::Tags::deriv<Tags::ConformalFactor<DataVector>, tmpl::size_t<3>,
83 : Frame::Inertial> /*meta*/) const;
84 0 : void operator()(
85 : gsl::not_null<tnsr::Ijj<DataVector, 3>*> spatial_christoffel_second_kind,
86 : gsl::not_null<Cache*> cache,
87 : gr::Tags::SpatialChristoffelSecondKind<DataVector, 3> /*meta*/) const;
88 0 : void operator()(
89 : gsl::not_null<Scalar<DataVector>*>
90 : conformal_laplacian_of_conformal_factor,
91 : gsl::not_null<Cache*> cache,
92 : detail::ConformalLaplacianOfConformalFactor<DataVector> /*meta*/) const;
93 0 : void operator()(
94 : gsl::not_null<tnsr::i<DataVector, 3>*> deriv_lapse_times_conformal_factor,
95 : gsl::not_null<Cache*> cache,
96 : ::Tags::deriv<Tags::LapseTimesConformalFactor<DataVector>,
97 : tmpl::size_t<3>, Frame::Inertial> /*meta*/) const;
98 0 : void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> lapse,
99 : gsl::not_null<Cache*> cache,
100 : gr::Tags::Lapse<DataVector> /*meta*/) const;
101 0 : void operator()(gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3>*> shift,
102 : gsl::not_null<Cache*> cache,
103 : gr::Tags::Shift<DataVector, 3> /*meta*/) const;
104 0 : void operator()(
105 : gsl::not_null<tnsr::iJ<DataVector, 3>*> deriv_shift_excess,
106 : gsl::not_null<Cache*> cache,
107 : ::Tags::deriv<Tags::ShiftExcess<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
108 : tmpl::size_t<3>, Frame::Inertial> /*meta*/) const;
109 0 : void operator()(
110 : gsl::not_null<tnsr::ii<DataVector, 3>*> shift_strain,
111 : gsl::not_null<Cache*> cache,
112 : Tags::ShiftStrain<DataVector, 3, Frame::Inertial> /*meta*/) const;
113 0 : void operator()(
114 : gsl::not_null<tnsr::II<DataVector, 3>*> longitudinal_shift_excess,
115 : gsl::not_null<Cache*> cache,
116 : Tags::LongitudinalShiftExcess<DataVector, 3, Frame::Inertial> /*meta*/)
117 : const;
118 0 : void operator()(
119 : gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3>*> div_longitudinal_shift_excess,
120 : gsl::not_null<Cache*> cache,
121 : ::Tags::div<Tags::LongitudinalShiftExcess<
122 : DataVector, 3, Frame::Inertial>> /*meta*/) const;
123 0 : void operator()(
124 : gsl::not_null<tnsr::II<DataVector, 3>*>
125 : longitudinal_shift_minus_dt_conformal_metric,
126 : gsl::not_null<Cache*> cache,
127 : detail::LongitudinalShiftMinusDtConformalMetric<DataVector> /*meta*/)
128 : const;
129 0 : void operator()(gsl::not_null<tnsr::ii<DataVector, 3>*> extrinsic_curvature,
130 : gsl::not_null<Cache*> cache,
131 : gr::Tags::ExtrinsicCurvature<DataVector, 3> /*meta*/) const;
132 0 : void operator()(gsl::not_null<Scalar<DataVector>*> hamiltonian_constraint,
133 : gsl::not_null<Cache*> cache,
134 : gr::Tags::HamiltonianConstraint<DataVector> /*meta*/) const;
135 0 : void operator()(gsl::not_null<tnsr::I<DataVector, 3>*> momentum_constraint,
136 : gsl::not_null<Cache*> cache,
137 : gr::Tags::MomentumConstraint<DataVector, 3> /*meta*/) const;
138 :
139 : // XCTS variables
140 0 : const Scalar<DataVector>& conformal_factor_minus_one;
141 0 : const Scalar<DataVector>& lapse_times_conformal_factor_minus_one;
142 0 : const tnsr::I<DataVector, 3>& shift_excess;
143 : // Background
144 0 : const tnsr::ii<DataVector, 3>& conformal_metric;
145 0 : const tnsr::II<DataVector, 3>& inv_conformal_metric;
146 0 : const tnsr::ijj<DataVector, 3>& deriv_conformal_metric;
147 0 : const tnsr::ijj<DataVector, 3>& conformal_christoffel_first_kind;
148 0 : const tnsr::Ijj<DataVector, 3>& conformal_christoffel_second_kind;
149 0 : const tnsr::i<DataVector, 3>& conformal_christoffel_contracted;
150 0 : const Scalar<DataVector>& conformal_ricci_scalar;
151 0 : const Scalar<DataVector>& trace_extrinsic_curvature;
152 0 : const tnsr::i<DataVector, 3>& deriv_trace_extrinsic_curvature;
153 0 : const tnsr::I<DataVector, 3>& shift_background;
154 : const tnsr::II<DataVector, 3>&
155 0 : longitudinal_shift_background_minus_dt_conformal_metric;
156 : const tnsr::I<DataVector, 3>&
157 0 : div_longitudinal_shift_background_minus_dt_conformal_metric;
158 0 : const Scalar<DataVector>& energy_density;
159 0 : const tnsr::I<DataVector, 3>& momentum_density;
160 : // Grid
161 0 : const Mesh<3>& mesh;
162 : const InverseJacobian<DataVector, 3, Frame::ElementLogical, Frame::Inertial>&
163 0 : inv_jacobian;
164 : };
165 :
166 : namespace Tags {
167 : /// Compute tag for the 3+1 quantities `Tags` from XCTS variables. The `Tags`
168 : /// can be any subset of the tags supported by `Xcts::SpacetimeQuantities`.
169 : template <typename Tags>
170 1 : struct SpacetimeQuantitiesCompute : ::Tags::Variables<Tags>, db::ComputeTag {
171 0 : using base = ::Tags::Variables<Tags>;
172 0 : using argument_tags = tmpl::list<
173 : domain::Tags::Mesh<3>, ConformalFactorMinusOne<DataVector>,
174 : LapseTimesConformalFactorMinusOne<DataVector>,
175 : ShiftExcess<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
176 : ConformalMetric<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
177 : InverseConformalMetric<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
178 : ::Tags::deriv<ConformalMetric<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
179 : tmpl::size_t<3>, Frame::Inertial>,
180 : ConformalChristoffelFirstKind<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
181 : ConformalChristoffelSecondKind<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
182 : ConformalChristoffelContracted<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
183 : ConformalRicciScalar<DataVector>,
184 : gr::Tags::TraceExtrinsicCurvature<DataVector>,
185 : ::Tags::deriv<gr::Tags::TraceExtrinsicCurvature<DataVector>,
186 : tmpl::size_t<3>, Frame::Inertial>,
187 : ShiftBackground<DataVector, 3, Frame::Inertial>,
188 : LongitudinalShiftBackgroundMinusDtConformalMetric<DataVector, 3,
189 : Frame::Inertial>,
190 : ::Tags::div<LongitudinalShiftBackgroundMinusDtConformalMetric<
191 : DataVector, 3, Frame::Inertial>>,
192 : gr::Tags::Conformal<gr::Tags::EnergyDensity<DataVector>, 0>,
193 : gr::Tags::Conformal<gr::Tags::MomentumDensity<DataVector, 3>, 0>,
194 : domain::Tags::Mesh<3>,
195 : domain::Tags::InverseJacobian<3, Frame::ElementLogical, Frame::Inertial>>;
196 : template <typename... Args>
197 0 : static void function(const gsl::not_null<typename base::type*> result,
198 : const Mesh<3>& mesh, const Args&... args) {
199 : const size_t num_points = mesh.number_of_grid_points();
200 : if (result->number_of_grid_points() != num_points) {
201 : result->initialize(num_points);
202 : }
203 : SpacetimeQuantities spacetime_quantities{num_points};
204 : const SpacetimeQuantitiesComputer computer{args...};
205 : tmpl::for_each<Tags>(
206 : [&spacetime_quantities, &computer, &result](const auto tag_v) {
207 : using tag = tmpl::type_from<std::decay_t<decltype(tag_v)>>;
208 : get<tag>(*result) = spacetime_quantities.get_var(computer, tag{});
209 : });
210 : }
211 : };
212 : } // namespace Tags
213 :
214 : } // namespace Xcts
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