source: inundation/ga/storm_surge/pyvolution/shallow_water_ext.c @ 262

Last change on this file since 262 was 260, checked in by ole, 20 years ago

Cleaned up compute_gradients. Prepared for c extension

File size: 14.1 KB
Line 
1// Python - C extension module for shallow_water.py
2//
3// To compile (Python2.3):
4//  gcc -c domain_ext.c -I/usr/include/python2.3 -o domain_ext.o -Wall -O
5//  gcc -shared domain_ext.o  -o domain_ext.so 
6//
7// or use python compile.py
8//
9// See the module shallow_water.py
10//
11//
12// Ole Nielsen, GA 2004
13   
14   
15#include "Python.h"
16#include "Numeric/arrayobject.h"
17#include "math.h"
18
19//Shared code snippets
20#include "util_ext.h"
21
22
23// Computational function for rotation
24int _rotate(double *q, double n1, double n2) {
25  /*Rotate the momentum component q (q[1], q[2])
26    from x,y coordinates to coordinates based on normal vector (n1, n2).
27   
28    Result is returned in array 3x1 r     
29    To rotate in opposite direction, call rotate with (q, n1, -n2)
30   
31    Contents of q are changed by this function */   
32
33
34  double q1, q2;
35 
36  //Shorthands
37  q1 = q[1];  //uh momentum
38  q2 = q[2];  //vh momentum
39
40  //Rotate
41  q[1] =  n1*q1 + n2*q2;
42  q[2] = -n2*q1 + n1*q2; 
43
44  return 0;
45} 
46
47
48       
49// Computational function for flux computation (using stage w=z+h)
50int flux_function(double *q_left, double *q_right, 
51                  double z_left, double z_right, 
52                  double n1, double n2, 
53                  double epsilon, double g, 
54                  double *edgeflux, double *max_speed) {
55 
56  /*Compute fluxes between volumes for the shallow water wave equation
57    cast in terms of the 'stage', w = h+z using
58    the 'central scheme' as described in
59   
60    Kurganov, Noelle, Petrova. 'Semidiscrete Central-Upwind Schemes For
61    Hyperbolic Conservation Laws and Hamilton-Jacobi Equations'.
62    Siam J. Sci. Comput. Vol. 23, No. 3, pp. 707-740.
63   
64    The implemented formula is given in equation (3.15) on page 714
65  */
66       
67  int i;
68       
69  double w_left, h_left, uh_left, vh_left, u_left;
70  double w_right, h_right, uh_right, vh_right, u_right;
71  double s_min, s_max, soundspeed_left, soundspeed_right;
72  double denom, z;
73  double q_left_copy[3], q_right_copy[3];   
74  double flux_right[3], flux_left[3];
75 
76  //Copy conserved quantities to protect from modification
77  for (i=0; i<3; i++) {
78    q_left_copy[i] = q_left[i];
79    q_right_copy[i] = q_right[i];
80  } 
81   
82  //Align x- and y-momentum with x-axis
83  _rotate(q_left_copy, n1, n2);
84  _rotate(q_right_copy, n1, n2);   
85
86  z = (z_left+z_right)/2; //Take average of field values
87
88  //Compute speeds in x-direction
89  w_left = q_left_copy[0];              // h+z
90  h_left = w_left-z;
91  uh_left = q_left_copy[1];
92
93  if (h_left < epsilon) {
94    h_left = 0.0;  //Could have been negative
95    u_left = 0.0;
96  } else { 
97    u_left = uh_left/h_left;
98  }
99 
100  w_right = q_right_copy[0];
101  h_right = w_right-z;
102  uh_right = q_right_copy[1];
103
104  if (h_right < epsilon) {
105    h_right = 0.0; //Could have been negative
106    u_right = 0.0;
107  } else { 
108    u_right = uh_right/h_right;
109  }
110
111  //Momentum in y-direction             
112  vh_left  = q_left_copy[2];
113  vh_right = q_right_copy[2];   
114       
115
116  //Maximal and minimal wave speeds
117  soundspeed_left  = sqrt(g*h_left); 
118  soundspeed_right = sqrt(g*h_right);
119   
120  s_max = max(u_left+soundspeed_left, u_right+soundspeed_right);
121  if (s_max < 0.0) s_max = 0.0; 
122 
123  s_min = min(u_left-soundspeed_left, u_right-soundspeed_right);
124  if (s_min > 0.0) s_min = 0.0;   
125 
126  //Flux formulas 
127  flux_left[0] = u_left*h_left;
128  flux_left[1] = u_left*uh_left + 0.5*g*h_left*h_left;
129  flux_left[2] = u_left*vh_left;
130 
131  flux_right[0] = u_right*h_right;
132  flux_right[1] = u_right*uh_right + 0.5*g*h_right*h_right;
133  flux_right[2] = u_right*vh_right;
134   
135
136  //Flux computation   
137  denom = s_max-s_min;
138  if (denom == 0.0) {
139    for (i=0; i<3; i++) edgeflux[i] = 0.0;
140    *max_speed = 0.0;
141  } else {   
142    for (i=0; i<3; i++) {
143      edgeflux[i] = s_max*flux_left[i] - s_min*flux_right[i];
144      edgeflux[i] += s_max*s_min*(q_right_copy[i]-q_left_copy[i]);
145      edgeflux[i] /= denom;
146    } 
147       
148    //Maximal wavespeed
149    *max_speed = max(fabs(s_max), fabs(s_min));
150   
151    //Rotate back       
152    _rotate(edgeflux, n1, -n2);
153  }
154  return 0;
155}
156       
157void _manning_friction(double g, double eps, int N, 
158                       double* w, double* uh, double* vh, 
159                       double* eta, double* xmom, double* ymom) {     
160
161  int k;
162  double S;
163 
164  for (k=0; k<N; k++) {
165    if (w[k] >= eps) {
166      S = -g * eta[k]*eta[k] * sqrt((uh[k]*uh[k] + vh[k]*vh[k]));
167      S /= pow(w[k], 7.0/3);     
168
169      //Update momentum
170      xmom[k] += S*uh[k];
171      ymom[k] += S*vh[k];
172    }
173  }
174 
175}
176           
177
178       
179///////////////////////////////////////////////////////////////////
180// Gateways to Python
181
182PyObject *gravity(PyObject *self, PyObject *args) {
183  //
184  //  gravity(g, h, v, x, xmom, ymom)
185  //
186 
187 
188  PyArrayObject *h, *v, *x, *xmom, *ymom;
189  int k, i, N, k3, k6;
190  double g, avg_h, zx, zy;
191  double x0, y0, x1, y1, x2, y2, z0, z1, z2;
192   
193  if (!PyArg_ParseTuple(args, "dOOOOO",
194                        &g, &h, &v, &x, 
195                        &xmom, &ymom)) 
196    return NULL; 
197
198  N = h -> dimensions[0];
199  for (k=0; k<N; k++) {
200    k3 = 3*k;  // base index
201    k6 = 6*k;  // base index   
202   
203    avg_h = 0.0;
204    for (i=0; i<3; i++) {
205      avg_h += ((double *) h -> data)[k3+i];
206    }   
207    avg_h /= 3;
208       
209   
210    //Compute bed slope
211    x0 = ((double*) x -> data)[k6 + 0];
212    y0 = ((double*) x -> data)[k6 + 1];   
213    x1 = ((double*) x -> data)[k6 + 2];
214    y1 = ((double*) x -> data)[k6 + 3];       
215    x2 = ((double*) x -> data)[k6 + 4];
216    y2 = ((double*) x -> data)[k6 + 5];           
217
218
219    z0 = ((double*) v -> data)[k3 + 0];
220    z1 = ((double*) v -> data)[k3 + 1];
221    z2 = ((double*) v -> data)[k3 + 2];       
222
223    _gradient(x0, y0, x1, y1, x2, y2, z0, z1, z2, &zx, &zy);
224
225    //Update momentum
226    ((double*) xmom -> data)[k] += -g*zx*avg_h;
227    ((double*) ymom -> data)[k] += -g*zy*avg_h;       
228  }
229   
230  return Py_BuildValue("");
231}
232
233
234PyObject *manning_friction(PyObject *self, PyObject *args) {
235  //
236  // manning_friction(g, eps, w, uh, vh, eta, xmom_update, ymom_update)
237  //
238 
239 
240  PyArrayObject *w, *uh, *vh, *eta, *xmom, *ymom;
241  int N;
242  double g, eps;
243   
244  if (!PyArg_ParseTuple(args, "ddOOOOOO",
245                        &g, &eps, &w, &uh, &vh, &eta, 
246                        &xmom, &ymom)) 
247    return NULL; 
248
249  N = w -> dimensions[0];   
250  _manning_friction(g, eps, N,
251                    (double*) w -> data,
252                    (double*) uh -> data, 
253                    (double*) vh -> data, 
254                    (double*) eta -> data,
255                    (double*) xmom -> data, 
256                    (double*) ymom -> data);
257
258  return Py_BuildValue("");
259}                   
260
261PyObject *rotate(PyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwargs) {
262  //
263  // r = rotate(q, normal, direction=1)
264  //
265  // Where q is assumed to be a Float numeric array of length 3 and
266  // normal a Float numeric array of length 2.
267
268 
269  PyObject *Q, *Normal;
270  PyArrayObject *q, *r, *normal;
271 
272  static char *argnames[] = {"q", "normal", "direction", NULL};
273  int dimensions[1], i, direction=1;
274  double n1, n2;
275
276  // Convert Python arguments to C 
277  if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwargs, "OO|i", argnames, 
278                                   &Q, &Normal, &direction)) 
279    return NULL; 
280
281  //Input checks (convert sequences into numeric arrays)
282  q = (PyArrayObject *) 
283    PyArray_ContiguousFromObject(Q, PyArray_DOUBLE, 0, 0);
284  normal = (PyArrayObject *) 
285    PyArray_ContiguousFromObject(Normal, PyArray_DOUBLE, 0, 0);
286 
287  //Allocate space for return vector r (don't DECREF)
288  dimensions[0] = 3;
289  r = (PyArrayObject *) PyArray_FromDims(1, dimensions, PyArray_DOUBLE);
290
291  //Copy
292  for (i=0; i<3; i++) {
293    ((double *) (r -> data))[i] = ((double *) (q -> data))[i]; 
294  }
295 
296  //Get normal and direction
297  n1 = ((double *) normal -> data)[0]; 
298  n2 = ((double *) normal -> data)[1];   
299  if (direction == -1) n2 = -n2;
300
301  //Rotate
302  _rotate((double *) r -> data, n1, n2);
303
304  //Release numeric arrays
305  Py_DECREF(q);   
306  Py_DECREF(normal);
307       
308  //return result using PyArray to avoid memory leak
309  return PyArray_Return(r);
310}   
311
312
313
314
315
316PyObject *compute_fluxes(PyObject *self, PyObject *args) {
317  /*Compute all fluxes and the timestep suitable for all volumes
318    in domain.
319
320    Compute total flux for each conserved quantity using "flux_function"
321
322    Fluxes across each edge are scaled by edgelengths and summed up
323    Resulting flux is then scaled by area and stored in
324    explicit_update for each of the three conserved quantities
325    level, xmomentum and ymomentum
326
327    The maximal allowable speed computed by the flux_function for each volume
328    is converted to a timestep that must not be exceeded. The minimum of
329    those is computed as the next overall timestep.
330   
331    Python call:
332    domain.timestep = compute_fluxes(timestep,
333                                     domain.epsilon,
334                                     domain.g,
335                                     domain.neighbours,
336                                     domain.neighbour_edges,
337                                     domain.normals,
338                                     domain.edgelengths,                       
339                                     domain.radii,
340                                     domain.areas,
341                                     Level.edge_values,
342                                     Xmom.edge_values,
343                                     Ymom.edge_values, 
344                                     Bed.edge_values,   
345                                     Level.boundary_values,
346                                     Xmom.boundary_values,
347                                     Ymom.boundary_values,
348                                     Level.explicit_update,
349                                     Xmom.explicit_update,
350                                     Ymom.explicit_update)
351       
352
353    Post conditions:
354      domain.explicit_update is reset to computed flux values
355      domain.timestep is set to the largest step satisfying all volumes.
356
357           
358  */
359
360 
361  PyArrayObject *neighbours, *neighbour_edges,
362    *normals, *edgelengths, *radii, *areas,
363    *level_edge_values, 
364    *xmom_edge_values, 
365    *ymom_edge_values, 
366    *bed_edge_values,   
367    *level_boundary_values,
368    *xmom_boundary_values,
369    *ymom_boundary_values,
370    *level_explicit_update,
371    *xmom_explicit_update,
372    *ymom_explicit_update;
373
374   
375  //Local variables 
376  double timestep, max_speed, epsilon, g;
377  double normal[2], ql[3], qr[3], zl, zr;
378  double flux[3], edgeflux[3]; //Work arrays for summing up fluxes
379
380  int number_of_elements, k, i, j, m, n;
381  int ki, nm, ki2; //Index shorthands
382 
383 
384  // Convert Python arguments to C 
385  if (!PyArg_ParseTuple(args, "dddOOOOOOOOOOOOOOOO",
386                        &timestep,
387                        &epsilon,
388                        &g,
389                        &neighbours, 
390                        &neighbour_edges,
391                        &normals, 
392                        &edgelengths, &radii, &areas,
393                        &level_edge_values, 
394                        &xmom_edge_values, 
395                        &ymom_edge_values, 
396                        &bed_edge_values,   
397                        &level_boundary_values,
398                        &xmom_boundary_values,
399                        &ymom_boundary_values,
400                        &level_explicit_update,
401                        &xmom_explicit_update,
402                        &ymom_explicit_update)) {
403    PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError, "Input arguments failed");
404    return NULL;
405  }
406
407  number_of_elements = level_edge_values -> dimensions[0];
408 
409   
410  for (k=0; k<number_of_elements; k++) {
411
412    //Reset work array
413    for (j=0; j<3; j++) flux[j] = 0.0;
414                         
415    //Loop through neighbours and compute edge flux for each
416    for (i=0; i<3; i++) {
417      ki = k*3+i;
418      ql[0] = ((double *) level_edge_values -> data)[ki];
419      ql[1] = ((double *) xmom_edge_values -> data)[ki];
420      ql[2] = ((double *) ymom_edge_values -> data)[ki];           
421      zl =    ((double *) bed_edge_values -> data)[ki];                 
422     
423      //Quantities at neighbour on nearest face
424      n = ((int *) neighbours -> data)[ki];
425      if (n < 0) {
426        m = -n-1; //Convert negative flag to index
427        qr[0] = ((double *) level_boundary_values -> data)[m]; 
428        qr[1] = ((double *) xmom_boundary_values -> data)[m];   
429        qr[2] = ((double *) ymom_boundary_values -> data)[m];   
430        zr = zl; //Extend bed elevation to boundary
431      } else {   
432        m = ((int *) neighbour_edges -> data)[ki];
433       
434        nm = n*3+m;     
435        qr[0] = ((double *) level_edge_values -> data)[nm];
436        qr[1] = ((double *) xmom_edge_values -> data)[nm];
437        qr[2] = ((double *) ymom_edge_values -> data)[nm];           
438        zr =    ((double *) bed_edge_values -> data)[nm];                 
439      }
440     
441      // Outward pointing normal vector   
442      // normal = domain.normals[k, 2*i:2*i+2]
443      ki2 = 2*ki; //k*6 + i*2
444      normal[0] = ((double *) normals -> data)[ki2];
445      normal[1] = ((double *) normals -> data)[ki2+1];     
446
447      //Edge flux computation
448      flux_function(ql, qr, zl, zr, 
449                    normal[0], normal[1],
450                    epsilon, g, 
451                    edgeflux, &max_speed);
452
453                   
454      //flux -= edgeflux * edgelengths[k,i]
455      for (j=0; j<3; j++) { 
456        flux[j] -= edgeflux[j]*((double *) edgelengths -> data)[ki];
457      }
458     
459      //Update timestep
460      //timestep = min(timestep, domain.radii[k]/max_speed)
461      if (max_speed > epsilon) {
462        timestep = min(timestep, ((double *) radii -> data)[k]/max_speed);
463      }   
464    } // end for i
465   
466    //Normalise by area and store for when all conserved
467    //quantities get updated
468    // flux /= areas[k]
469    for (j=0; j<3; j++) { 
470      flux[j] /= ((double *) areas -> data)[k];
471    }
472
473    ((double *) level_explicit_update -> data)[k] = flux[0];
474    ((double *) xmom_explicit_update -> data)[k] = flux[1];
475    ((double *) ymom_explicit_update -> data)[k] = flux[2];       
476
477  } //end for k
478
479  return Py_BuildValue("d", timestep);
480}   
481
482
483
484
485
486
487
488
489//////////////////////////////////////////     
490// Method table for python module
491static struct PyMethodDef MethodTable[] = {
492  /* The cast of the function is necessary since PyCFunction values
493   * only take two PyObject* parameters, and rotate() takes
494   * three.
495   */
496 
497  {"rotate", (PyCFunction)rotate, METH_VARARGS | METH_KEYWORDS, "Print out"},
498  {"compute_fluxes", compute_fluxes, METH_VARARGS, "Print out"},   
499  {"gravity", gravity, METH_VARARGS, "Print out"},     
500  {"manning_friction", manning_friction, METH_VARARGS, "Print out"},       
501  //{"distribute_to_vertices_and_edges",
502  // distribute_to_vertices_and_edges, METH_VARARGS},   
503  //{"update_conserved_quantities",
504  // update_conserved_quantities, METH_VARARGS},       
505  //{"set_initialcondition",
506  // set_initialcondition, METH_VARARGS},   
507  {NULL, NULL}
508};
509       
510// Module initialisation   
511void initshallow_water_ext(void){
512  Py_InitModule("shallow_water_ext", MethodTable);
513 
514  import_array();     //Necessary for handling of NumPY structures 
515}
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.