source: inundation/ga/storm_surge/pyvolution/shallow_water_ext.c @ 273

Last change on this file since 273 was 273, checked in by ole, 20 years ago

Implemented protect in c and noted improvement.
Pyvolution is now faster than the previous version.

File size: 18.8 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
179int _balance_deep_and_shallow(int N,
180                              double* wc,
181                              double* zc, 
182                              double* hc,                             
183                              double* wv, 
184                              double* zv, 
185                              double* hv,
186                              double* xmomc, 
187                              double* ymomc, 
188                              double* xmomv, 
189                              double* ymomv) { 
190 
191  int k, k3, i;
192  double dz, hmin, alpha;
193 
194  //Compute linear combination between constant levels and and
195  //levels parallel to the bed elevation.     
196 
197  for (k=0; k<N; k++) {
198    // Compute maximal variation in bed elevation
199    // This quantitiy is
200    //     dz = max_i abs(z_i - z_c)
201    // and it is independent of dimension
202    // In the 1d case zc = (z0+z1)/2
203    // In the 2d case zc = (z0+z1+z2)/3
204
205    k3 = 3*k;
206   
207    //FIXME: Try with this one precomputed
208    dz = 0.0;
209    hmin = hv[k3];
210    for (i=0; i<3; i++) {
211      dz = max(dz, fabs(zv[k3+i]-zc[k]));
212      hmin = min(hmin, hv[k3+i]);
213    }
214
215   
216    //Create alpha in [0,1], where alpha==0 means using shallow
217    //first order scheme and alpha==1 means using the stage w as
218    //computed by the gradient limiter (1st or 2nd order)
219    //
220    //If hmin > dz/2 then alpha = 1 and the bed will have no effect
221    //If hmin < 0 then alpha = 0 reverting to constant height above bed.
222   
223    if (dz > 0.0) 
224      alpha = max( min( 2*hmin/dz, 1.0), 0.0 );
225    else
226      alpha = 1.0;  //Flat bed
227
228
229    //Weighted balance between stage parallel to bed elevation
230    //(wvi = zvi + hc) and stage as computed by 1st or 2nd
231    //order gradient limiter
232    //(wvi = zvi + hvi) where i=0,1,2 denotes the vertex ids
233    //
234    //It follows that the updated wvi is
235    //  wvi := (1-alpha)*(zvi+hc) + alpha*(zvi+hvi) =
236    //  zvi + hc + alpha*(hvi - hc)
237    //
238    //Note that hvi = zc+hc-zvi in the first order case (constant).
239
240    if (alpha < 1) {         
241      for (i=0; i<3; i++) {
242        wv[k3+i] = zv[k3+i] + hc[k] + alpha*(hv[k3+i]-hc[k]);
243           
244     
245        //Update momentum as a linear combination of
246        //xmomc and ymomc (shallow) and momentum
247        //from extrapolator xmomv and ymomv (deep).
248        xmomv[k3+i] = (1-alpha)*xmomc[k] + alpha*xmomv[k3+i];           
249        ymomv[k3+i] = (1-alpha)*ymomc[k] + alpha*ymomv[k3+i];
250      } 
251    }
252  }         
253  return 0;
254}
255
256
257
258int _protect(int N, 
259             double minimum_allowed_height,       
260             double* wc,
261             double* zc, 
262             double* xmomc, 
263             double* ymomc) {
264 
265  int k; 
266  double hc;
267 
268  //Compute linear combination between constant levels and and
269  //levels parallel to the bed elevation.     
270 
271  for (k=0; k<N; k++) {
272    hc = wc[k] - zc[k];
273    if (hc < minimum_allowed_height) {
274      if (hc < 0.0) {
275        //Control level and height
276        wc[k] = zc[k];
277      }
278
279      //Control momentum
280      xmomc[k] = 0.0;
281      ymomc[k] = 0.0;
282    }
283  }
284  return 0;
285}
286
287
288
289///////////////////////////////////////////////////////////////////
290// Gateways to Python
291
292PyObject *gravity(PyObject *self, PyObject *args) {
293  //
294  //  gravity(g, h, v, x, xmom, ymom)
295  //
296 
297 
298  PyArrayObject *h, *v, *x, *xmom, *ymom;
299  int k, i, N, k3, k6;
300  double g, avg_h, zx, zy;
301  double x0, y0, x1, y1, x2, y2, z0, z1, z2;
302   
303  if (!PyArg_ParseTuple(args, "dOOOOO",
304                        &g, &h, &v, &x, 
305                        &xmom, &ymom)) 
306    return NULL; 
307
308  N = h -> dimensions[0];
309  for (k=0; k<N; k++) {
310    k3 = 3*k;  // base index
311    k6 = 6*k;  // base index   
312   
313    avg_h = 0.0;
314    for (i=0; i<3; i++) {
315      avg_h += ((double *) h -> data)[k3+i];
316    }   
317    avg_h /= 3;
318       
319   
320    //Compute bed slope
321    x0 = ((double*) x -> data)[k6 + 0];
322    y0 = ((double*) x -> data)[k6 + 1];   
323    x1 = ((double*) x -> data)[k6 + 2];
324    y1 = ((double*) x -> data)[k6 + 3];       
325    x2 = ((double*) x -> data)[k6 + 4];
326    y2 = ((double*) x -> data)[k6 + 5];           
327
328
329    z0 = ((double*) v -> data)[k3 + 0];
330    z1 = ((double*) v -> data)[k3 + 1];
331    z2 = ((double*) v -> data)[k3 + 2];       
332
333    _gradient(x0, y0, x1, y1, x2, y2, z0, z1, z2, &zx, &zy);
334
335    //Update momentum
336    ((double*) xmom -> data)[k] += -g*zx*avg_h;
337    ((double*) ymom -> data)[k] += -g*zy*avg_h;       
338  }
339   
340  return Py_BuildValue("");
341}
342
343
344PyObject *manning_friction(PyObject *self, PyObject *args) {
345  //
346  // manning_friction(g, eps, w, uh, vh, eta, xmom_update, ymom_update)
347  //
348 
349 
350  PyArrayObject *w, *uh, *vh, *eta, *xmom, *ymom;
351  int N;
352  double g, eps;
353   
354  if (!PyArg_ParseTuple(args, "ddOOOOOO",
355                        &g, &eps, &w, &uh, &vh, &eta, 
356                        &xmom, &ymom)) 
357    return NULL; 
358
359  N = w -> dimensions[0];   
360  _manning_friction(g, eps, N,
361                    (double*) w -> data,
362                    (double*) uh -> data, 
363                    (double*) vh -> data, 
364                    (double*) eta -> data,
365                    (double*) xmom -> data, 
366                    (double*) ymom -> data);
367
368  return Py_BuildValue("");
369}                   
370
371PyObject *rotate(PyObject *self, PyObject *args, PyObject *kwargs) {
372  //
373  // r = rotate(q, normal, direction=1)
374  //
375  // Where q is assumed to be a Float numeric array of length 3 and
376  // normal a Float numeric array of length 2.
377
378 
379  PyObject *Q, *Normal;
380  PyArrayObject *q, *r, *normal;
381 
382  static char *argnames[] = {"q", "normal", "direction", NULL};
383  int dimensions[1], i, direction=1;
384  double n1, n2;
385
386  // Convert Python arguments to C 
387  if (!PyArg_ParseTupleAndKeywords(args, kwargs, "OO|i", argnames, 
388                                   &Q, &Normal, &direction)) 
389    return NULL; 
390
391  //Input checks (convert sequences into numeric arrays)
392  q = (PyArrayObject *) 
393    PyArray_ContiguousFromObject(Q, PyArray_DOUBLE, 0, 0);
394  normal = (PyArrayObject *) 
395    PyArray_ContiguousFromObject(Normal, PyArray_DOUBLE, 0, 0);
396 
397  //Allocate space for return vector r (don't DECREF)
398  dimensions[0] = 3;
399  r = (PyArrayObject *) PyArray_FromDims(1, dimensions, PyArray_DOUBLE);
400
401  //Copy
402  for (i=0; i<3; i++) {
403    ((double *) (r -> data))[i] = ((double *) (q -> data))[i]; 
404  }
405 
406  //Get normal and direction
407  n1 = ((double *) normal -> data)[0]; 
408  n2 = ((double *) normal -> data)[1];   
409  if (direction == -1) n2 = -n2;
410
411  //Rotate
412  _rotate((double *) r -> data, n1, n2);
413
414  //Release numeric arrays
415  Py_DECREF(q);   
416  Py_DECREF(normal);
417       
418  //return result using PyArray to avoid memory leak
419  return PyArray_Return(r);
420}   
421
422
423
424
425
426PyObject *compute_fluxes(PyObject *self, PyObject *args) {
427  /*Compute all fluxes and the timestep suitable for all volumes
428    in domain.
429
430    Compute total flux for each conserved quantity using "flux_function"
431
432    Fluxes across each edge are scaled by edgelengths and summed up
433    Resulting flux is then scaled by area and stored in
434    explicit_update for each of the three conserved quantities
435    level, xmomentum and ymomentum
436
437    The maximal allowable speed computed by the flux_function for each volume
438    is converted to a timestep that must not be exceeded. The minimum of
439    those is computed as the next overall timestep.
440   
441    Python call:
442    domain.timestep = compute_fluxes(timestep,
443                                     domain.epsilon,
444                                     domain.g,
445                                     domain.neighbours,
446                                     domain.neighbour_edges,
447                                     domain.normals,
448                                     domain.edgelengths,                       
449                                     domain.radii,
450                                     domain.areas,
451                                     Level.edge_values,
452                                     Xmom.edge_values,
453                                     Ymom.edge_values, 
454                                     Bed.edge_values,   
455                                     Level.boundary_values,
456                                     Xmom.boundary_values,
457                                     Ymom.boundary_values,
458                                     Level.explicit_update,
459                                     Xmom.explicit_update,
460                                     Ymom.explicit_update)
461       
462
463    Post conditions:
464      domain.explicit_update is reset to computed flux values
465      domain.timestep is set to the largest step satisfying all volumes.
466
467           
468  */
469
470 
471  PyArrayObject *neighbours, *neighbour_edges,
472    *normals, *edgelengths, *radii, *areas,
473    *level_edge_values, 
474    *xmom_edge_values, 
475    *ymom_edge_values, 
476    *bed_edge_values,   
477    *level_boundary_values,
478    *xmom_boundary_values,
479    *ymom_boundary_values,
480    *level_explicit_update,
481    *xmom_explicit_update,
482    *ymom_explicit_update;
483
484   
485  //Local variables 
486  double timestep, max_speed, epsilon, g;
487  double normal[2], ql[3], qr[3], zl, zr;
488  double flux[3], edgeflux[3]; //Work arrays for summing up fluxes
489
490  int number_of_elements, k, i, j, m, n;
491  int ki, nm, ki2; //Index shorthands
492 
493 
494  // Convert Python arguments to C 
495  if (!PyArg_ParseTuple(args, "dddOOOOOOOOOOOOOOOO",
496                        &timestep,
497                        &epsilon,
498                        &g,
499                        &neighbours, 
500                        &neighbour_edges,
501                        &normals, 
502                        &edgelengths, &radii, &areas,
503                        &level_edge_values, 
504                        &xmom_edge_values, 
505                        &ymom_edge_values, 
506                        &bed_edge_values,   
507                        &level_boundary_values,
508                        &xmom_boundary_values,
509                        &ymom_boundary_values,
510                        &level_explicit_update,
511                        &xmom_explicit_update,
512                        &ymom_explicit_update)) {
513    PyErr_SetString(PyExc_RuntimeError, "Input arguments failed");
514    return NULL;
515  }
516
517  number_of_elements = level_edge_values -> dimensions[0];
518 
519   
520  for (k=0; k<number_of_elements; k++) {
521
522    //Reset work array
523    for (j=0; j<3; j++) flux[j] = 0.0;
524                         
525    //Loop through neighbours and compute edge flux for each
526    for (i=0; i<3; i++) {
527      ki = k*3+i;
528      ql[0] = ((double *) level_edge_values -> data)[ki];
529      ql[1] = ((double *) xmom_edge_values -> data)[ki];
530      ql[2] = ((double *) ymom_edge_values -> data)[ki];           
531      zl =    ((double *) bed_edge_values -> data)[ki];                 
532     
533      //Quantities at neighbour on nearest face
534      n = ((int *) neighbours -> data)[ki];
535      if (n < 0) {
536        m = -n-1; //Convert negative flag to index
537        qr[0] = ((double *) level_boundary_values -> data)[m]; 
538        qr[1] = ((double *) xmom_boundary_values -> data)[m];   
539        qr[2] = ((double *) ymom_boundary_values -> data)[m];   
540        zr = zl; //Extend bed elevation to boundary
541      } else {   
542        m = ((int *) neighbour_edges -> data)[ki];
543       
544        nm = n*3+m;     
545        qr[0] = ((double *) level_edge_values -> data)[nm];
546        qr[1] = ((double *) xmom_edge_values -> data)[nm];
547        qr[2] = ((double *) ymom_edge_values -> data)[nm];           
548        zr =    ((double *) bed_edge_values -> data)[nm];                 
549      }
550     
551      // Outward pointing normal vector   
552      // normal = domain.normals[k, 2*i:2*i+2]
553      ki2 = 2*ki; //k*6 + i*2
554      normal[0] = ((double *) normals -> data)[ki2];
555      normal[1] = ((double *) normals -> data)[ki2+1];     
556
557      //Edge flux computation
558      flux_function(ql, qr, zl, zr, 
559                    normal[0], normal[1],
560                    epsilon, g, 
561                    edgeflux, &max_speed);
562
563                   
564      //flux -= edgeflux * edgelengths[k,i]
565      for (j=0; j<3; j++) { 
566        flux[j] -= edgeflux[j]*((double *) edgelengths -> data)[ki];
567      }
568     
569      //Update timestep
570      //timestep = min(timestep, domain.radii[k]/max_speed)
571      if (max_speed > epsilon) {
572        timestep = min(timestep, ((double *) radii -> data)[k]/max_speed);
573      }   
574    } // end for i
575   
576    //Normalise by area and store for when all conserved
577    //quantities get updated
578    // flux /= areas[k]
579    for (j=0; j<3; j++) { 
580      flux[j] /= ((double *) areas -> data)[k];
581    }
582
583    ((double *) level_explicit_update -> data)[k] = flux[0];
584    ((double *) xmom_explicit_update -> data)[k] = flux[1];
585    ((double *) ymom_explicit_update -> data)[k] = flux[2];       
586
587  } //end for k
588
589  return Py_BuildValue("d", timestep);
590}   
591
592
593
594PyObject *protect(PyObject *self, PyObject *args) {
595  //
596  //    protect(minimum_allowed_height, wc, zc, xmomc, ymomc)
597 
598
599  PyArrayObject
600  *wc,            //Level at centroids
601  *zc,            //Elevation at centroids   
602  *xmomc,         //Momentums at centroids
603  *ymomc; 
604
605   
606  int N; 
607  double minimum_allowed_height;
608 
609  // Convert Python arguments to C 
610  if (!PyArg_ParseTuple(args, "dOOOO", 
611                        &minimum_allowed_height,
612                        &wc, &zc, &xmomc, &ymomc))
613    return NULL;
614
615  N = wc -> dimensions[0];
616   
617  _protect(N,
618           minimum_allowed_height,
619           (double*) wc -> data,
620           (double*) zc -> data, 
621           (double*) xmomc -> data, 
622           (double*) ymomc -> data);
623 
624  return Py_BuildValue(""); 
625}
626
627
628
629PyObject *balance_deep_and_shallow(PyObject *self, PyObject *args) {
630  //
631  //    balance_deep_and_shallow(wc, zc, hc, wv, zv, hv,
632  //                             xmomc, ymomc, xmomv, ymomv)
633 
634
635  PyArrayObject
636    *wc,            //Level at centroids
637    *zc,            //Elevation at centroids   
638    *hc,            //Height at centroids       
639    *wv,            //Level at vertices
640    *zv,            //Elevation at vertices
641    *hv,            //Heights at vertices   
642    *xmomc,         //Momentums at centroids and vertices
643    *ymomc, 
644    *xmomv, 
645    *ymomv;   
646   
647  int N; //, err;
648 
649  // Convert Python arguments to C 
650  if (!PyArg_ParseTuple(args, "OOOOOOOOOO", 
651                        &wc, &zc, &hc, 
652                        &wv, &zv, &hv,
653                        &xmomc, &ymomc, &xmomv, &ymomv))
654    return NULL;
655
656  N = wc -> dimensions[0];
657   
658  _balance_deep_and_shallow(N,
659                            (double*) wc -> data,
660                            (double*) zc -> data, 
661                            (double*) hc -> data,                           
662                            (double*) wv -> data, 
663                            (double*) zv -> data, 
664                            (double*) hv -> data,
665                            (double*) xmomc -> data, 
666                            (double*) ymomc -> data, 
667                            (double*) xmomv -> data, 
668                            (double*) ymomv -> data); 
669 
670 
671  return Py_BuildValue(""); 
672}
673
674
675
676//////////////////////////////////////////     
677// Method table for python module
678static struct PyMethodDef MethodTable[] = {
679  /* The cast of the function is necessary since PyCFunction values
680   * only take two PyObject* parameters, and rotate() takes
681   * three.
682   */
683 
684  {"rotate", (PyCFunction)rotate, METH_VARARGS | METH_KEYWORDS, "Print out"},
685  {"compute_fluxes", compute_fluxes, METH_VARARGS, "Print out"},   
686  {"gravity", gravity, METH_VARARGS, "Print out"},     
687  {"manning_friction", manning_friction, METH_VARARGS, "Print out"},       
688  {"balance_deep_and_shallow", balance_deep_and_shallow, 
689   METH_VARARGS, "Print out"},         
690  {"protect", protect, METH_VARARGS | METH_KEYWORDS, "Print out"},   
691  //{"distribute_to_vertices_and_edges",
692  // distribute_to_vertices_and_edges, METH_VARARGS},   
693  //{"update_conserved_quantities",
694  // update_conserved_quantities, METH_VARARGS},       
695  //{"set_initialcondition",
696  // set_initialcondition, METH_VARARGS},   
697  {NULL, NULL}
698};
699       
700// Module initialisation   
701void initshallow_water_ext(void){
702  Py_InitModule("shallow_water_ext", MethodTable);
703 
704  import_array();     //Necessary for handling of NumPY structures 
705}
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.