计算物理 ›› 2021, Vol. 38 ›› Issue (4): 381-392.DOI: 10.19596/j.cnki.1001-246x.8282
收稿日期:
2020-10-10
出版日期:
2021-07-25
发布日期:
2021-12-21
通讯作者:
徐龙飞
作者简介:
朱凯博(1996-), 研究生, 研究方向: 粒子输运理论及应用
基金资助:
Kaibo ZHU1,2, Longfei XU2,*(), Liujun PAN2, Huayun SHEN2
Received:
2020-10-10
Online:
2021-07-25
Published:
2021-12-21
Contact:
Longfei XU
摘要:
JFNK(Jacobian-free Newton-Krylov)方法是一种求解非线性方程的高效迭代算法。传统输运计算中的负通量修正与k-特征值迭代使得原本线性的输运计算转变为非线性问题数值求解。为提高非线性输运问题的计算效率,将这两类非线性问题离散成残差形式的非线性方程组,并采用JFNK方法对其进行迭代求解。分析不同约束条件对JFNK方法性能的影响,并将其与NK(Newton-Krylov)方法进行对比。针对JFNK方法的内迭代过程,分析两类子空间方法(GMRES(m)与LGMRES)对整体计算效率的影响。数值结果表明:①相比于传统的幂迭代方法,JFNK方法具有更高的计算效率;②Jacobian矩阵向量积的差分近似对结果没有影响,且基于物理的约束条件比标准的数学约束更加高效;③LGMRES可以充分利用子空间的信息,从而使得JFNK方法整体表现更加高效。
中图分类号:
朱凯博, 徐龙飞, 潘流俊, 沈华韵. JFNK方法在SN输运计算中的应用[J]. 计算物理, 2021, 38(4): 381-392.
Kaibo ZHU, Longfei XU, Liujun PAN, Huayun SHEN. Application of JFNK Method in SN Transport Calculations[J]. Chinese Journal of Computational Physics, 2021, 38(4): 381-392.
区域 | Σt | ΣS | Q |
(I) | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
(II) | 0.001 | 0.0 | 0.0 |
(III) | 100.0 | 0.0 | 0.0 |
(IV) | 10.0 | 9.999 | 0.0 |
表1 二维屏蔽问题的材料属性
Table 1 Material properties for the 2D shielding problem
区域 | Σt | ΣS | Q |
(I) | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
(II) | 0.001 | 0.0 | 0.0 |
(III) | 100.0 | 0.0 | 0.0 |
(IV) | 10.0 | 9.999 | 0.0 |
方法 | 误差 | 迭代次数 | 扫描次数 | 时间/s |
SI | 9.30×10-6 | 160 | 160 | 10.395 |
GMRES | 5.39×10-6 | 14 | 18 | 1.207 |
JFNK | 6.28×10-6 | (17) | 22 | 1.404 |
表2 没有负通量修正,SI,GMRES,JFNK三种方法结果
Table 2 Comparison of SI, GMRES and JFNK without flux fixup
方法 | 误差 | 迭代次数 | 扫描次数 | 时间/s |
SI | 9.30×10-6 | 160 | 160 | 10.395 |
GMRES | 5.39×10-6 | 14 | 18 | 1.207 |
JFNK | 6.28×10-6 | (17) | 22 | 1.404 |
方法 | 误差 | 迭代次数 | 扫描次数 | 时间/s |
SI | 9.60×10-6 | 158 | 158 | 12.744 |
JFNK(η1) | 6.43×10-7 | (6,8,15,16) | 55 | 4.665 |
JFNK(η2) | 6.23×10-8 | (16,19,18) | 61 | 5.094 |
表3 负通量修正,SI和JFNK方法结果
Table 3 Comparison of SI and JFNK with flux fixup
方法 | 误差 | 迭代次数 | 扫描次数 | 时间/s |
SI | 9.60×10-6 | 158 | 158 | 12.744 |
JFNK(η1) | 6.43×10-7 | (6,8,15,16) | 55 | 4.665 |
JFNK(η2) | 6.23×10-8 | (16,19,18) | 61 | 5.094 |
材料区域 | Σt(x) | Σs(x) | νΣf(x) |
0≤x≤5 | 1 | 0.99 | 0.020 762 057 5 |
5≤x≤10 | 1 | Σsr | 0.0 |
表4 一维问题材料截面
Table 4 Material cross sections in 1D benchmark problem
材料区域 | Σt(x) | Σs(x) | νΣf(x) |
0≤x≤5 | 1 | 0.99 | 0.020 762 057 5 |
5≤x≤10 | 1 | Σsr | 0.0 |
c=Σs/Σt | 参考k | 方法 | 收敛误差 | 迭代次数 | 扫描次数 | k | |
Outer | Inner | ||||||
PI-SI | 4.32×10-7 | 7 | 1 659 | 0.999 52 | |||
0.99 | 1.000 000 | PI-GMRES | 4.47×10-7 | 7 | 147 | 0.999 53 | |
JFNK | 1.22×10-8 | 2 | 38 | 42 | 0.999 53 | ||
PI-SI | 2.09×10-7 | 8 | 1 394 | 0.748 00 | |||
0.90 | 0.748 862 | PI-GMRES | 2.59×10-7 | 8 | 145 | 0.748 01 | |
JFNK | 8.01×10-11 | 3 | 52 | 57 | 0.748 01 | ||
PI-SI | 3.20×10-7 | 8 | 1 325 | 0.683 84 | |||
0.80 | 0.684 913 | PI-GMRES | 3.58×10-7 | 8 | 144 | 0.683 85 | |
JFNK | 4.31×10-10 | 3 | 51 | 60 | 0.683 85 | ||
PI-SI | 4.35×10-7 | 8 | 1 293 | 0.654 02 | |||
0.70 | 0.655 223 | PI-GMRES | 4.07×10-7 | 8 | 129 | 0.654 03 | |
JFNK | 6.79×10-10 | 3 | 47 | 55 | 0.654 03 | ||
PI-SI | 4.47×10-7 | 8 | 1 271 | 0.636 05 | |||
0.60 | 0.637 351 | PI-GMRES | 4.35×10-7 | 8 | 128 | 0.636 06 | |
JFNK | 1.56×10-9 | 3 | 52 | 44 | 0.636 06 | ||
PI-SI | 4.47×10-7 | 8 | 1 258 | 0.623 76 | |||
0.50 | 0.625 151 | PI-GMRES | 4.54×10-7 | 8 | 128 | 0.623 77 | |
JFNK | 7.72×10-10 | 3 | 42 | 47 | 0.623 77 | ||
PI-SI | 4.44×10-7 | 8 | 1 247 | 0.614 71 | |||
0.40 | 0.616 174 | PI-GMRES | 4.66×10-7 | 8 | 120 | 0.614 72 | |
JFNK | 1.74×10-9 | 3 | 42 | 47 | 0.614 72 | ||
PI-SI | 4.44×10-7 | 8 | 1 239 | 0.607 71 | |||
0.30 | 0.609 232 | PI-GMRES | 4.75×10-7 | 8 | 120 | 0.607 71 | |
JFNK | 2.11×10-9 | 3 | 42 | 47 | 0.607 71 | ||
PI-SI | 4.50×10-7 | 8 | 1 233 | 0.602 08 | |||
0.20 | 0.603 669 | PI-GMRES | 4.82×10-7 | 8 | 120 | 0.602 09 | |
JFNK | 3.08×10-9 | 3 | 40 | 45 | 0.602 09 | ||
PI-SI | 4.53×10-7 | 8 | 1 226 | 0.597 45 | |||
0.10 | 0.599 089 | PI-GMRES | 4.87×10-7 | 8 | 120 | 0.597 45 | |
JFNK | 3.31×10-9 | 3 | 40 | 45 | 0.59745 | ||
PI-SI | 4.56×10-7 | 8 | 1 222 | 0.593 90 | |||
0.01 | 0.595 597 | PI-GMRES | 4.91×10-7 | 8 | 120 | 0.593 91 | |
JFNK | 3.57×10-9 | 3 | 40 | 45 | 0.593 91 |
表5 不同c情况下PI-SI,PI-GMRES,JFNK方法的数值结果
Table 5 Numerical results of one-dimensional problem with different c
c=Σs/Σt | 参考k | 方法 | 收敛误差 | 迭代次数 | 扫描次数 | k | |
Outer | Inner | ||||||
PI-SI | 4.32×10-7 | 7 | 1 659 | 0.999 52 | |||
0.99 | 1.000 000 | PI-GMRES | 4.47×10-7 | 7 | 147 | 0.999 53 | |
JFNK | 1.22×10-8 | 2 | 38 | 42 | 0.999 53 | ||
PI-SI | 2.09×10-7 | 8 | 1 394 | 0.748 00 | |||
0.90 | 0.748 862 | PI-GMRES | 2.59×10-7 | 8 | 145 | 0.748 01 | |
JFNK | 8.01×10-11 | 3 | 52 | 57 | 0.748 01 | ||
PI-SI | 3.20×10-7 | 8 | 1 325 | 0.683 84 | |||
0.80 | 0.684 913 | PI-GMRES | 3.58×10-7 | 8 | 144 | 0.683 85 | |
JFNK | 4.31×10-10 | 3 | 51 | 60 | 0.683 85 | ||
PI-SI | 4.35×10-7 | 8 | 1 293 | 0.654 02 | |||
0.70 | 0.655 223 | PI-GMRES | 4.07×10-7 | 8 | 129 | 0.654 03 | |
JFNK | 6.79×10-10 | 3 | 47 | 55 | 0.654 03 | ||
PI-SI | 4.47×10-7 | 8 | 1 271 | 0.636 05 | |||
0.60 | 0.637 351 | PI-GMRES | 4.35×10-7 | 8 | 128 | 0.636 06 | |
JFNK | 1.56×10-9 | 3 | 52 | 44 | 0.636 06 | ||
PI-SI | 4.47×10-7 | 8 | 1 258 | 0.623 76 | |||
0.50 | 0.625 151 | PI-GMRES | 4.54×10-7 | 8 | 128 | 0.623 77 | |
JFNK | 7.72×10-10 | 3 | 42 | 47 | 0.623 77 | ||
PI-SI | 4.44×10-7 | 8 | 1 247 | 0.614 71 | |||
0.40 | 0.616 174 | PI-GMRES | 4.66×10-7 | 8 | 120 | 0.614 72 | |
JFNK | 1.74×10-9 | 3 | 42 | 47 | 0.614 72 | ||
PI-SI | 4.44×10-7 | 8 | 1 239 | 0.607 71 | |||
0.30 | 0.609 232 | PI-GMRES | 4.75×10-7 | 8 | 120 | 0.607 71 | |
JFNK | 2.11×10-9 | 3 | 42 | 47 | 0.607 71 | ||
PI-SI | 4.50×10-7 | 8 | 1 233 | 0.602 08 | |||
0.20 | 0.603 669 | PI-GMRES | 4.82×10-7 | 8 | 120 | 0.602 09 | |
JFNK | 3.08×10-9 | 3 | 40 | 45 | 0.602 09 | ||
PI-SI | 4.53×10-7 | 8 | 1 226 | 0.597 45 | |||
0.10 | 0.599 089 | PI-GMRES | 4.87×10-7 | 8 | 120 | 0.597 45 | |
JFNK | 3.31×10-9 | 3 | 40 | 45 | 0.59745 | ||
PI-SI | 4.56×10-7 | 8 | 1 222 | 0.593 90 | |||
0.01 | 0.595 597 | PI-GMRES | 4.91×10-7 | 8 | 120 | 0.593 91 | |
JFNK | 3.57×10-9 | 3 | 40 | 45 | 0.593 91 |
材料 | Σt/cm-1 | νΣf/cm-1 | ΣS/cm-1 | |
情况1 | 1区 | 1.0 | 1.0 | 0.5 |
2区 | 0.8 | 0.0 | 0.4 | |
情况2 | 1区 | 1.0 | 0.1 | 0.99 |
2区 | 0.8 | 0.0 | 0.79 | |
情况3 | 1区 | 1.0 | 0.1 | 0.999 |
2区 | 0.8 | 0.1 | 0.799 |
表6 Issa基准题材料截面
Table 6 Material cross sections in the Issa benchmark problem
材料 | Σt/cm-1 | νΣf/cm-1 | ΣS/cm-1 | |
情况1 | 1区 | 1.0 | 1.0 | 0.5 |
2区 | 0.8 | 0.0 | 0.4 | |
情况2 | 1区 | 1.0 | 0.1 | 0.99 |
2区 | 0.8 | 0.0 | 0.79 | |
情况3 | 1区 | 1.0 | 0.1 | 0.999 |
2区 | 0.8 | 0.1 | 0.799 |
Jacobian类型 | Newton迭代 | GMRES迭代 | 扫描计数 | k | ‖F‖ | |
情况1 | N-NK | 7 | (4, 4, 5, 6, 11, 14, 25a) | 107 | 1.677 66 | 4.344×10-9 |
N-JFNK | 7 | (4, 4, 5, 6, 11, 14, 25a) | 107 | 1.677 66 | 4.341×10-9 | |
FR-JFNK | 4 | (10, 8, 13, 21) | 75 | 1.677 66 | 5.099×10-8 | |
情况2 | N-NK | 8 | (4, 7, 11, 8, 12, 16, 25a, 25a) | 152 | 1.773 66 | 1.030×10-7 |
N-JFNK | 8 | (4, 7, 11, 8, 12, 16, 25a, 25a) | 152 | 1.773 66 | 1.040×10-7 | |
FR-JFNK | 4 | (18, 25a, 25a, 25a) | 118 | 1.773 66 | 4.501×10-8 | |
情况3 | N-NK | 8 | (4, 7, 12, 8, 12, 18, 25a, 25a) | 155 | 2.273 59 | 3.990×10-8 |
N-JFNK | 8 | (4, 7, 12, 8, 12, 18, 25a, 25a) | 155 | 2.273 59 | 3.998×10-8 | |
FR-JFNK | 4 | (20, 25a, 25a, 25a) | 120 | 2.273 59 | 3.599×10-7 |
表7 不同Jacobian类型情况下Issa基准题的数值结果
Table 7 Numerical results of Issa benchmark problem in the case of different Jacobian types
Jacobian类型 | Newton迭代 | GMRES迭代 | 扫描计数 | k | ‖F‖ | |
情况1 | N-NK | 7 | (4, 4, 5, 6, 11, 14, 25a) | 107 | 1.677 66 | 4.344×10-9 |
N-JFNK | 7 | (4, 4, 5, 6, 11, 14, 25a) | 107 | 1.677 66 | 4.341×10-9 | |
FR-JFNK | 4 | (10, 8, 13, 21) | 75 | 1.677 66 | 5.099×10-8 | |
情况2 | N-NK | 8 | (4, 7, 11, 8, 12, 16, 25a, 25a) | 152 | 1.773 66 | 1.030×10-7 |
N-JFNK | 8 | (4, 7, 11, 8, 12, 16, 25a, 25a) | 152 | 1.773 66 | 1.040×10-7 | |
FR-JFNK | 4 | (18, 25a, 25a, 25a) | 118 | 1.773 66 | 4.501×10-8 | |
情况3 | N-NK | 8 | (4, 7, 12, 8, 12, 18, 25a, 25a) | 155 | 2.273 59 | 3.990×10-8 |
N-JFNK | 8 | (4, 7, 12, 8, 12, 18, 25a, 25a) | 155 | 2.273 59 | 3.998×10-8 | |
FR-JFNK | 4 | (20, 25a, 25a, 25a) | 120 | 2.273 59 | 3.599×10-7 |
Restarts | Newton Iteration | GMRES Iteration | Sweeps | k | |
GMRES(25) | 1 | 12 | (16, 25a×11) | 682 | 1.025 61 |
2 | 6 | (16, 50a×5) | 594 | 1.025 61 | |
3 | 5 | (16, 75a×4) | 692 | 1.025 61 | |
4 | 5 | (16, 100a×4) | 900 | 1.025 61 | |
5 | 4 | (16, 125a×3) | 842 | 1.025 61 | |
LGMRES | 1 | 6 | (16, 25a×5) | 402 | 1.025 61 |
表8 GMRES(m)和LGMRES的数值结果
Table 8 Numerical results in the case of two GMRES variants
Restarts | Newton Iteration | GMRES Iteration | Sweeps | k | |
GMRES(25) | 1 | 12 | (16, 25a×11) | 682 | 1.025 61 |
2 | 6 | (16, 50a×5) | 594 | 1.025 61 | |
3 | 5 | (16, 75a×4) | 692 | 1.025 61 | |
4 | 5 | (16, 100a×4) | 900 | 1.025 61 | |
5 | 4 | (16, 125a×3) | 842 | 1.025 61 | |
LGMRES | 1 | 6 | (16, 25a×5) | 402 | 1.025 61 |
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