开源有限元分析软件-Elmer FEM 开发教程 （5）运行模拟和可视化结果

5.1 引言

在完成网格生成和 .sif 文件配置后，运行模拟是 Elmer FEM 的关键步骤。ElmerSolver 是 Elmer FEM 的核心求解器，负责执行有限元分析并生成结果。本章将详细说明如何使用 ElmerSolver 运行模拟，并利用 ParaView 可视化模拟结果。ParaView 是一个功能强大的开源工具，非常适合处理 Elmer 的输出文件。无论您是初学者还是有经验的用户，本章都将提供清晰的步骤和实用示例，帮助您顺利完成模拟和结果分析。

5.2 运行模拟

ElmerSolver 是 Elmer FEM 的求解器，负责读取 .sif 文件并执行模拟。以下是运行模拟的基本步骤：

1. 准备 .sif 文件
   确保 .sif 文件已正确配置，包含网格文件路径、材料属性、边界条件和求解器设置。这是运行模拟的基础。
2. 运行 ElmerSolver
   在命令行中输入 ElmerSolver 命令并指定 .sif 文件，启动模拟。
3. 监控模拟进度
   ElmerSolver 会在控制台显示模拟的进度信息，例如迭代次数和收敛状态。
4. 生成输出文件
   模拟完成后，ElmerSolver 会根据 .sif 文件的设置生成输出文件，例如 .vtu 文件，供后续可视化使用。

5.2.1 基本命令

要在命令行中运行模拟，请使用以下命令：

ElmerSolver your_simulation.sif

• your_simulation.sif 是您的 .sif 文件名，请根据实际情况替换。

5.2.2 并行运行（可选）

对于计算量较大的模拟，可以使用 MPI（消息传递接口）进行并行计算，以提高效率。命令如下：

mpirun -np 4 ElmerSolver_mpi your_simulation.sif

• -np 4 表示使用 4 个处理器，您可以根据计算机性能调整该数值。
• ElmerSolver_mpi 是支持并行的 ElmerSolver 版本。

注意：

• 并行运行需要系统安装 MPI（如 MPICH 或 OpenMPI），并且 Elmer 必须编译为支持并行版本。
• 确保 .sif 文件中已配置并行相关的设置，例如网格分区。

5.3 监控和调试

ElmerSolver 在运行时会输出详细的日志信息，帮助您了解模拟的状态。以下是一些常见的输出内容：

• 迭代次数：显示当前迭代步数和残差值。
• 收敛状态：表明模拟是否达到收敛条件。
• 错误消息：如果出现问题，ElmerSolver 会提示具体错误。

示例输出

以下是一个典型的 ElmerSolver 输出示例：

ELMER SOLVER (v 9.0) STARTED AT: 2023/09/01 12:00:00
...
Main: Iterations: 1
Main: Residual: 1.0e-3
...
ELMER SOLVER FINISHED AT: 2023/09/01 12:01:00

调试建议

如果模拟失败或不收敛，可以尝试以下方法：

• 检查输入文件：确认 .sif 文件中的边界条件、材料属性和网格路径无误。
• 网格质量：确保网格不过于稀疏或畸形，可使用 Gmsh 或其他工具检查。
• 社区支持：访问 Elmer FEM 论坛，获取更多帮助。

5.4 可视化结果

模拟完成后，您可以使用 ParaView 对结果进行可视化。ParaView 支持 Elmer 的 .vtu 文件格式，并提供多种工具，如颜色映射、等高线和动画，帮助您分析数据。

5.4.1 设置 .sif 文件以生成 .vtu 文件

要在模拟后生成 .vtu 文件，需在 .sif 文件的 Simulation 部分添加以下设置：

Simulation
  ...
  Post File = "your_simulation.post"
End

• Post File 指定了后处理文件的名称，ElmerSolver 将生成 your_simulation.post.vtu 文件。
• 请确保文件名与您的模拟名称一致。

5.4.2 使用 ParaView 可视化

按照以下步骤在 ParaView 中查看结果：

1. 下载并安装 ParaView
   从 ParaView 官方网站 下载并安装最新版本。
2. 打开 .vtu 文件
   启动 ParaView，点击 File > Open，选择 your_simulation.post.vtu 文件。
3. 应用可视化
   • 在左侧属性面板中，选择要显示的物理量（如“温度”或“速度”）。
   • 点击“Apply”按钮。
   • 使用工具栏中的颜色映射（Color Map）查看分布。
   • 可添加等高线（Contour）、矢量场（Glyph）等高级选项。
4. 保存结果
   使用 ParaView 的“Save Screenshot”或“Save Animation”功能，导出图像或动画。

示例应用

• 热传导问题：通过颜色映射查看温度分布。
• 流体动力学问题：显示速度矢量场和压力分布。

5.4.3 其他可视化工具

除了 ParaView，您还可以尝试以下工具：

• ElmerPost：Elmer 自带的老旧工具，功能有限，不推荐使用。
• Gmsh：适合查看网格和简单结果。
• MATLAB：通过脚本读取 .vtu 文件并自定义可视化。

推荐：ParaView 是目前最强大且易用的选择。

5.5 总结

本章详细介绍了如何使用 ElmerSolver 运行模拟并通过 ParaView 可视化结果。通过学习本章，您应该能够：

• 正确配置并运行 ElmerSolver。
• 监控模拟进度并进行基本调试。
• 使用 ParaView 生成和分析模拟结果。

下一章将深入探讨如何自定义求解器和模型，为更复杂的模拟任务奠定基础。