mcpField
F
fluidsim

fluidsim

github.com/crazymsn其他2335 次安装22 周前更新
代码仓库

关于 fluidsim

FluidSim 是面向计算流体力学研究者的 Python 框架，提供周期区域流动的伪谱求解器，并涵盖参数设置、模拟运行和结果分析。它支持编译加速与 MPI 并行计算。

主要功能

  1. 012D 和 3D Navier–Stokes 求解器
  2. 02浅水流与分层流求解器
  3. 03基于 FFT 的伪谱方法
  4. 04Pythran/Transonic 编译与 MPI
  5. 05模拟输出和分析工具

适用场景

  1. 01研究 2D 湍流与涡旋动力学
  2. 02模拟海洋或大气分层流
  3. 03使用 MPI 运行高分辨率模拟
  4. 04分析物理场、空间均值和频谱

安装

复制下面的命令，在终端中运行。

$npx skills add https://github.com/crazymsn/academic-skills --skill fluidsim

安装后在 Claude Code 中输入/fluidsim确认已加载。

包含的文件

除 SKILL.md 外，安装时一起下载的参考资料和脚本。

references/
advanced_features.md
installation.md
output_analysis.md
parameters.md
simulation_workflow.md
solvers.md

详细介绍

FluidSim

概述

FluidSim 是一个面向对象的 Python 框架，用于高性能计算流体动力学（CFD）模拟。它为周期性区域方程提供基于 FFT 的伪谱方法求解器，在保持 Python 易用性的同时，实现了可与 Fortran/C++ 相媲美的性能。

主要优势：

  • 多种求解器：二维／三维 Navier-Stokes、浅水流、分层流
  • 高性能：Pythran/Transonic 编译、MPI 并行化
  • 完整工作流：参数配置、模拟执行、输出分析
  • 交互式分析：基于 Python 的后处理与可视化

核心功能

1. 安装与设置

使用带有相应功能标志的 uv 安装 fluidsim：

# Basic installation
uv pip install fluidsim

# With FFT support (required for most solvers)
uv pip install "fluidsim[fft]"

# With MPI for parallel computing
uv pip install "fluidsim[fft,mpi]"

设置输出目录的环境变量（可选）：

export FLUIDSIM_PATH=/path/to/simulation/outputs
export FLUIDDYN_PATH_SCRATCH=/path/to/working/directory

无需 API 密钥或身份验证。

完整的安装说明和环境配置请参见 references/installation.md。

2. 运行模拟

标准工作流包含五个步骤：

步骤 1：导入求解器

from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul

步骤 2：创建并配置参数

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 256
params.oper.Lx = params.oper.Ly = 2 * 3.14159
params.nu_2 = 1e-3
params.time_stepping.t_end = 10.0
params.init_fields.type = "noise"

步骤 3：实例化模拟

sim = Simul(params)

步骤 4：执行

sim.time_stepping.start()

步骤 5：分析结果

sim.output.phys_fields.plot("vorticity")
sim.output.spatial_means.plot()

完整示例、重启模拟和集群部署请参见 references/simulation_workflow.md。

3. 可用求解器

根据物理问题选择求解器：

二维 Navier-Stokes（ns2d）：二维湍流、涡旋动力学

from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul

三维 Navier-Stokes（ns3d）：三维湍流、真实流动

from fluidsim.solvers.ns3d.solver import Simul

分层流（ns2d.strat、ns3d.strat）：海洋／大气流动

from fluidsim.solvers.ns2d.strat.solver import Simul
params.N = 1.0  # Brunt-Väisälä frequency

浅水流（sw1l）：地球物理流动、旋转系统

from fluidsim.solvers.sw1l.solver import Simul
params.f = 1.0  # Coriolis parameter

完整的求解器列表和选择指南请参见 references/solvers.md。

4. 参数配置

参数按层次组织，并通过点号表示法访问：

区域与分辨率：

params.oper.nx = 256  # grid points
params.oper.Lx = 2 * pi  # domain size

物理参数：

params.nu_2 = 1e-3  # viscosity
params.nu_4 = 0     # hyperviscosity (optional)

时间步进：

params.time_stepping.t_end = 10.0
params.time_stepping.USE_CFL = True  # adaptive time step
params.time_stepping.CFL = 0.5

初始条件：

params.init_fields.type = "noise"  # or "dipole", "vortex", "from_file", "in_script"

输出设置：

params.output.periods_save.phys_fields = 1.0  # save every 1.0 time units
params.output.periods_save.spectra = 0.5
params.output.periods_save.spatial_means = 0.1

Parameters 对象会针对拼写错误抛出 AttributeError，防止配置错误未被发现。

全面的参数文档请参见 references/parameters.md。

5. 输出与分析

FluidSim 会在模拟过程中自动保存多种输出：

物理场：以 HDF5 格式保存速度、涡度

sim.output.phys_fields.plot("vorticity")
sim.output.phys_fields.plot("vx")

空间平均值：体积平均量的时间序列

sim.output.spatial_means.plot()

谱：能量谱和涡量平方谱

sim.output.spectra.plot1d()
sim.output.spectra.plot2d()

加载以前的模拟：

from fluidsim import load_sim_for_plot
sim = load_sim_for_plot("simulation_dir")
sim.output.phys_fields.plot()

高级可视化：在 ParaView 或 VisIt 中打开 .h5 文件进行三维可视化。

详细的分析工作流、参数化研究分析和数据导出请参见 references/output_analysis.md。

6. 高级功能

自定义强迫：维持湍流或驱动特定动力学

params.forcing.enable = True
params.forcing.type = "tcrandom"  # time-correlated random forcing
params.forcing.forcing_rate = 1.0

自定义初始条件：在脚本中定义场

params.init_fields.type = "in_script"
sim = Simul(params)
X, Y = sim.oper.get_XY_loc()
vx = sim.state.state_phys.get_var("vx")
vx[:] = sin(X) * cos(Y)
sim.time_stepping.start()

MPI 并行化：在多个处理器上运行

mpirun -np 8 python simulation_script.py

参数化研究：使用不同参数运行多个模拟

for nu in [1e-3, 5e-4, 1e-4]:
    params = Simul.create_default_params()
    params.nu_2 = nu
    params.output.sub_directory = f"nu{nu}"
    sim = Simul(params)
    sim.time_stepping.start()

强迫类型、自定义求解器、集群提交和性能优化请参见 references/advanced_features.md。

常见用例

二维湍流研究
from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul
from math import pi

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 512
params.oper.Lx = params.oper.Ly = 2 * pi
params.nu_2 = 1e-4
params.time_stepping.t_end = 50.0
params.time_stepping.USE_CFL = True
params.init_fields.type = "noise"
params.output.periods_save.phys_fields = 5.0
params.output.periods_save.spectra = 1.0

sim = Simul(params)
sim.time_stepping.start()

# Analyze energy cascade
sim.output.spectra.plot1d(tmin=30.0, tmax=50.0)
分层流模拟
from fluidsim.solvers.ns2d.strat.solver import Simul

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 256
params.N = 2.0  # stratification strength
params.nu_2 = 5e-4
params.time_stepping.t_end = 20.0

# Initialize with dense layer
params.init_fields.type = "in_script"
sim = Simul(params)
X, Y = sim.oper.get_XY_loc()
b = sim.state.state_phys.get_var("b")
b[:] = exp(-((X - 3.14)**2 + (Y - 3.14)**2) / 0.5)
sim.state.statephys_from_statespect()

sim.time_stepping.start()
sim.output.phys_fields.plot("b")
使用 MPI 进行高分辨率三维模拟
from fluidsim.solvers.ns3d.solver import Simul

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = params.oper.nz = 512
params.nu_2 = 1e-5
params.time_stepping.t_end = 10.0
params.init_fields.type = "noise"

sim = Simul(params)
sim.time_stepping.start()

运行命令：

mpirun -np 64 python script.py
Taylor-Green 涡旋验证
from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul
import numpy as np
from math import pi

params = Simul.create_default_params()
params.oper.nx = params.oper.ny = 128
params.oper.Lx = params.oper.Ly = 2 * pi
params.nu_2 = 1e-3
params.time_stepping.t_end = 10.0
params.init_fields.type = "in_script"

sim = Simul(params)
X, Y = sim.oper.get_XY_loc()
vx = sim.state.state_phys.get_var("vx")
vy = sim.state.state_phys.get_var("vy")
vx[:] = np.sin(X) * np.cos(Y)
vy[:] = -np.cos(X) * np.sin(Y)
sim.state.statephys_from_statespect()

sim.time_stepping.start()

# Validate energy decay
df = sim.output.spatial_means.load()
# Compare with analytical solution

快速参考

导入求解器：from fluidsim.solvers.ns2d.solver import Simul

创建参数：params = Simul.create_default_params()

设置分辨率：params.oper.nx = params.oper.ny = 256

设置黏度：params.nu_2 = 1e-3

设置结束时间：params.time_stepping.t_end = 10.0

运行模拟：sim = Simul(params); sim.time_stepping.start()

绘制结果：sim.output.phys_fields.plot("vorticity")

加载模拟：sim = load_sim_for_plot("path/to/sim")

资源

文档：https://fluidsim.readthedocs.io/

参考文件：

  • references/installation.md：完整的安装说明
  • references/solvers.md：可用求解器及选择指南
  • references/simulation_workflow.md：详细的工作流示例
  • references/parameters.md：全面的参数文档
  • references/output_analysis.md：输出类型和分析方法
  • references/advanced_features.md：强迫、MPI、参数化研究、自定义求解器

评论

支持 Markdown