Implementace numerick´ eho modelu podzemn´ıho proudˇ en´ı

(1)

TECHNICK ´ A UNIVERZITA V LIBERCI Fakulta mechatroniky a mezioborov´ ych inˇzen´ yrsk´ ych

studi´ı

Studijn´ı program: N 2612 – Elektrotechnika a informatika

Studijn´ı obor: Automatick´e ˇr´ızen´ı a inˇzen´ yrsk´ a informatika

Implementace numerick´ eho modelu podzemn´ıho proudˇ en´ı

v objektovˇ e orientovan´ em programovac´ım jazyce

Implementation of a numerical model of groundwater flow in

an object oriented programming language

Diplomov´ a pr´ ace

Vedouc´ı dipl. pr´ ace: Ing. Otto Sever´ yn, Ph.D.

2009 Bc. Tom´ aˇs Chmel

(2)

Byl jsem seznámen s t´ım, ˇze na mou diplomovou práci se plnˇe vztahuje zákon ˇc. 121/2000 o právu autorském, zejména ˇc. 60 (ˇskoln´ı d´ılo).

Beru na vˇedom´ı, ˇze TUL má právo na uzavˇren´ı licenˇcn´ı smlouvy o uˇzit´ı mé práce a prohlaˇsuji, ˇze s o u h l a s ´ı m s pˇr´ıpadným uˇzit´ım mé diplomové práce (prodej, zap˚ujˇcen´ı apod.).

Jsem si vˇedom toho, ˇze uˇz´ıt svoji diplomovou práci ˇci poskytnout licenci k jej´ı vyuˇzit´ı mohu jen se souhlasem TUL, která má právo ode mne poˇzadovat pˇrimˇeˇrený pˇr´ıspˇevek na úhradu náklad˚u, vynaloˇzených univerzitou na vytvo- ˇren´ı d´ıla (aˇz do jejich skuteˇcné výˇse).

Diplomovou práci jsem vypracoval sám s pouˇzit´ım uvedené literatury a na základˇe konzultac´ı s vedouc´ım diplomové práce.

V Liberci 29. kvˇetna 2009 . . . .

(3)

Abstrakt

C´ılem této práce bylo vytvoˇren´ı programu pro modelován´ı podzemn´ıho proudˇen´ı pomoc´ı objektovˇe orientovaného jazyka. Výchoz´ım bodem byl jiˇz existuj´ıc´ı program, psaný pomoc´ı jazyka C strukturovanou formou.

Na zaˇcátku práce je uveden struˇcný úvod do problému modelován´ı proudˇen´ı kapalin a objektovˇe orientovanému návrhu programu.

Po vysvˇetlen´ı obecných pojm˚u následuje popis konkrétn´ı realizaci programu. Nejprve se zamˇeˇr´ıme na ˇcinnosti programu, pr˚ubˇeh výpoˇctu a komunikace programu s okol´ım. Dále je vˇenována pozornost jednotlivým tˇr´ıdám, navrˇzeným k ˇreˇsen´ı zadaného problému, pˇredevˇs´ım pak jejich metodám.

Konec práce je vˇenován srovnán´ı nového a p˚uvodn´ıho programu. Srovnán´ı je provedeno jednak pomoc´ı programu GMSH, kterým jsou vypoˇctené výsledky pˇrevedeny do grafické podoby, tak i porovnán´ım obsahu soubor˚u jako textu.

Kl´ıˇcov´a slova: proudˇen´ı podzemn´ı vody, puklinov´e prostˇred´ı

(4)

Abstract

The main goal of this bachelor thesis is to create a programme for groundwater flow modelling using an object-oriented approach. The starting point was the already existing programm written in the programming language C in a structured form.

At the beginning there is a brief introduction to the problem of groundwater flow modelling and concepts of the object-oriented programming.

After the explanation of the basic terminology we will focus on the specific implementation of the programmme. At first, we will focus on the programme functions, calculation phases and programme communication with its envi- ronment. Then, we will pay attention to the individual classes created to solve the problem, mainly to their methods.

The end of this thesis concentrates on the comparison of the newly created programme with the original one. This comparison is carried out not only by the programme GMSH, which transfers the calculated results into a graphic form, but also by a comparison of the file content as a text.

Keywords: Groundwater flow, Fractured rock

(5)

Obsah

1 Uvod´ 9

2 Proudˇen´ı podzemn´ı vody 10

2.1 Aproximace proudˇen´ı . . . 11

2.2 Slouˇcen´ı 1D, 2D a 3D v´ypoˇctu . . . 12

2.2.1 Konformn´ı a nekonformn´ı propojen´ı element˚u . . . 12

2.2.2 V´ymˇena l´atek pˇres konformn´ı propojen´ı element˚u . . . 13

2.2.3 V´ymˇena l´atek pˇres nekonformn´ı propojen´ı element˚u . . 14

3 Objektovˇe orientovan´e programov´an´ı 16 3.1 Dˇediˇcnost . . . 16

3.2 Polymorfismus . . . 16

3.3 Skl´ad´an´ı objekt˚u . . . 17

3.4 Výhody a nevýhody objektového pˇr´ıstupu . . . 17

4 Popis programu flow123d 19 4.1 Reˇzimy programu flow123d . . . 19

4.1.1 Generov´an´ı souboru sousednosti . . . 19

4.1.2 Konverze vstupn´ıch soubor˚u . . . 19

4.1.3 V´ypoˇcet . . . 20

4.2 Vnˇejˇs´ı datov´e struktury . . . 20

4.2.1 R´ıd´ıc´ı souborˇ . . . 20

4.2.2 Soubor s´ıtˇe . . . 20

4.2.3 Soubor materi´alov´ych vlastnost´ı . . . 21

4.2.4 Soubor okrajov´ych podm´ınek . . . 21

4.2.5 Soubor zdroj˚u kapaliny . . . 22

4.2.6 Soubor sousednosti element˚u s´ıtˇe . . . 22

4.2.7 Soubor okrajov´ych podm´ınek transportu . . . 22

4.2.8 Soubor poˇc´ateˇcn´ıch podm´ınek . . . 23

4.2.9 Soubor poˇc´ateˇcn´ıho rozloˇzen´ı koncentrace . . . 23

4.2.10 V´ystupn´ı soubory . . . 23

(6)

5 Vnitˇrn´ı datov´e tˇr´ıdy 24

5.1 ˇSablony . . . 24

5.1.1 Sablona CList nodeˇ . . . 24

5.1.2 Sablona CListˇ . . . 26

5.2 Tˇr´ıdy . . . 30

5.2.1 CProblem . . . 31

5.2.2 CMesh . . . 32

5.2.3 CNode . . . 33

5.2.4 CElement . . . 34

5.2.5 CSide . . . 35

5.2.6 CEdge . . . 35

5.2.7 CMaterial . . . 35

5.2.8 CBoundary . . . 35

5.2.9 CInitial . . . 36

5.2.10 CTransport bcd . . . 36

5.2.11 CConcentration . . . 36

5.2.12 CSource . . . 36

5.2.13 CNeighbour . . . 37

5.2.14 CMatrix . . . 37

5.2.15 CError . . . 38

5.2.16 CSystem . . . 38

6 Testován´ı ˇcinnosti programu 43 6.1 Testován´ı doby výpoˇctu . . . 45

7 Z´avˇer 48 A Pˇr´ıloha 50 A.1 V´ypis tˇr´ıdy CBoundary . . . 50

A.2 V´ypis tˇr´ıdy CConcentration . . . 51

A.3 V´ypis tˇr´ıdy CEdge . . . 52

A.4 V´ypis tˇr´ıdy CElement . . . 53

(7)

A.5 V´ypis tˇr´ıdy CError message . . . 58

A.6 V´ypis tˇr´ıdy CInitial . . . 59

A.7 V´ypis tˇr´ıdy CMaterial . . . 59

A.8 V´ypis tˇr´ıdy CMatrix . . . 60

A.9 V´ypis tˇr´ıdy CMesh . . . 62

A.10 V´ypis tˇr´ıdy CNeighbour . . . 67

A.11 V´ypis tˇr´ıdy CNode . . . 69

A.12 V´ypis tˇr´ıdy CProblem . . . 70

A.13 V´ypis tˇr´ıdy CSide . . . 73

A.14 V´ypis tˇr´ıdy CSource . . . 75

A.15 V´ypis tˇr´ıdy CSystem . . . 76

A.16 V´ypis tˇr´ıdy CTransport bcd . . . 78

(8)

Seznam obr´ azk˚ u

1 Propojen´ı prvk˚u niˇzˇs´ı a v´yˇs´ı dimenze . . . 12

2 Schéma látkové výmˇeny pˇres konformn´ı propojen´ı . . . 13

3 Zaveden´ı konformn´ıho a nekonformn´ıho propojen´ı v glob´aln´ı matici . . . 14

4 Schéma látkové výmˇeny pˇres nekonformn´ı propojen´ı . . . 14

5 V´ypis tˇr´ıdy CList node . . . 25

6 V´ypis tˇr´ıdy CList . . . 29

7 Pouˇzit´ı statick´e metody . . . 38

8 Testovac´ı s´ıt’ pro dvojrozmˇern´y model . . . 43

9 Testovac´ı s´ıt’ pro trojrozmˇern´y model . . . 44

10 Zn´azornˇen´ı rozd´ıl˚u mezi v´ysledky . . . 44

11 Testovac´ı s´ıt’ pro trojrozmˇern´y model . . . 45

12 V´ysledek v´ypoˇctu pro p˚uvodn´ı program 2D modelu . . . 46

13 Výsledek výpoˇctu pro nový program 2D modelu . . . 46

14 V´ysledek v´ypoˇctu pro p˚uvodn´ı program 3D modelu . . . 47

15 Výsledek výpoˇctu pro nový program 3D modelu . . . 47

(9)

1 Uvod ´

C´ılem práce bylo inovace jiˇz existuj´ıc´ıho programu flow123d, který slouˇz´ı k simulaci proudˇen´ı podzemn´ıch vod horninovým prostˇred´ım a transportu látek rozpuˇstˇených ve vodˇe.

P˚uvodnˇe byl program psán strukturovanˇe, ˇc´ımˇz je myˇsleno, ˇze byly vy- tvoˇreny globáln´ı promˇenné ke kterým se pˇristupovalo pomoc´ı globáln´ıch funkc´ı. Nevýhodou tohoto pˇr´ıstupu se stává jeho sloˇzitost, která neúmˇernˇe roste s velikost´ı programu. Program se tak stává h˚uˇre udrˇzovatelným. Kaˇzdá netriviáln´ı zmˇena programu se projev´ı na v´ıce m´ıstech kódu a je nároˇcné a zdlouhavé tato m´ısta identifikovat.

Naproti tomu objektový pˇr´ıstup, který byl zvolen, sluˇcuje data a metody, které k nim pˇristupuj´ı. Pˇristup k dat˚um se uskuteˇcˇnuje pˇres tyto metody a program se tak dˇel´ı do menˇs´ıch celk˚u, které je snaˇzˇs´ı spravovat.

V prvn´ı ˇcásti této práce se vˇenujeme matematicko-fyzikáln´ımu popisu problému proudˇen´ı podzemn´ıch vod v horninovém prostˇred´ı. Budou vysvˇetleny základn´ı vztahy nutné k vytvoˇren´ı programu. Poté budou vysvˇetleny základn´ı ideje objektového programován´ı a pak se jiˇz budeme zabývat programem.

Následnˇe se seznám´ıme s ˇcinnost´ı programu a pop´ıˇseme vnˇejˇs´ı datové struktury, které slouˇz´ı programu jako vstupn´ı data a také jako výstup.

Dalˇs´ı ˇcást je vˇenována popisu nových tˇr´ıd a jejich metod. Nejprve jsou popsány dvˇe nové parametrické tˇr´ıdy slouˇz´ıc´ı k vytváˇren´ı lineárn´ıho seznamu.

Následuje popis tˇr´ıd, které odpov´ıdaj´ı datovým strukturám v p˚uvodn´ım programu. Nakonec je popsána tˇr´ıda slouˇz´ıc´ı k zajiˇstˇen´ı komunikace programu s okol´ım.

V posledn´ı kapitole je porovn´an´ı p˚uvodn´ıho programu a programu nov´eho z hlediska jejich funkce.

(10)

2 Proudˇ en´ı podzemn´ı vody

Souˇcást´ı této kapitoly bude seznámit ˇctenáˇre s pouˇzitým modelem pro výpo- ˇ

cty proudˇen´ı v horninov´em prostˇred´ı.

V horninovém prostˇred´ı se m˚uˇzeme setkat s nˇekolika rozd´ılnými typy objekt˚u, které maj´ı rozd´ılné charakteristiky.

1. Sedimenty. Typickými zástupci jsou p´ıskovce ˇci vápence. Tyto ma- teriály umoˇzˇnuj´ı, d´ıky své porozitˇe, proudˇen´ı kapalin celým objemem.

2. Vyvˇrelé nebo pˇremˇenˇené horniny nazývané kristalinikum (napˇr. ˇzuly) . I pˇres tyto materiály m˚uˇze kapalina protékat pˇres celý objem, ale je za- potˇreb´ı mnohem vˇetˇs´ıch tlak˚u neˇz v pˇredeˇslém pˇr´ıpadˇe. Dominantn´ım je zde tok po puklinách a dalˇs´ıch tektonických poruchách.

Pukliny v horninov´em prostˇred´ı m˚uˇzeme rozdˇelit podle jejich vlastnost´ı.

1. Malé pukliny. Jejich výskyt je velmi hojný, ale dosahuj´ı jen malých rozmˇer˚u (ménˇe neˇz jeden metr). Modelován´ı kaˇzdé pukliny je pro sou- ˇ

casný výkon poˇc´ıtaˇc˚u nerealizovatelné na územ´ı vˇetˇs´ım neˇz ˇrádovˇe stovky metr˚u ˇctvereˇcn´ıch v p˚udoryse a proto se tyto pukliny v mod- elován´ı nahrazuj´ı porézn´ım materiálem ekvivalentn´ıch hydraulických vlastnost´ı.

2. Významné pukliny. Jejich výskyt je relativnˇe ˇridˇs´ı a jejich charakteristiky bývaj´ı známé. Tyto pukliny nen´ı moˇzné nahradit v modelován´ı porézn´ım materiálem. Ve výpoˇctech je uvaˇzujeme jako 2D objekty.

3. Kˇr´ıˇzen´ı velkých puklin. Na tˇechto m´ıstech je moˇzné pozorovat velké toky podzemn´ıch vod. Tyto ˇcáry se chovaj´ı jako jakési potrub´ı v podzemn´ım prostˇred´ı.

Z výˇse uvedeného výˇctu je moˇzné pro proudˇen´ı podzemn´ıch vod zahrnout 3D porézn´ı bloky, 2D zlomy a 1D pukliny.

(11)

2.1 Aproximace proudˇ en´ı

Nejprve zavedeme aproximaci proudˇen´ı v kaˇzd´em typu nez´avisle na ostatn´ıch.

Zaved’me oblast Ωi, kde index i ∈ {1, 2, 3}. Ω1 je mnoˇzina ´useˇcek um´ıstˇe- n´ych ve 3D prostoru, Ω₂ je mnoˇzina polygon˚u a Ω₃ mnoˇzina 3D oblast´ı.

Vˇsechny oblasti jsou podmnoˇzinou tˇr´ıdimenzionáln´ıho prostoru. Pro tyto oblasti m˚uˇzeme definovat potenciál, ˇr´ıd´ıc´ı proudˇen´ı kapaliny. Pomoc´ı rovnice kontinuity a lineárn´ıho Darcyho zákona (který definuje rychlost pr˚utoku kapaliny pevným porézn´ım tˇelesem) z´ıskáme:

ui = −Ki· ∇pi na Ωi, (1)

∇ · u_i = q_i na Ω_i, (2)

kde ui je intenzita proudˇen´ı, pi je tlaková výˇska, Ki je tenzor hydraulické vodivosti a q_i je funkce popisuj´ıc´ı hustotu zdroj˚u kapaliny.

Pˇri ˇreˇsen´ı uvaˇzujeme tˇri moˇzné okrajové podm´ınky - Dirichetovu, Neu- manovu a Newtnovu, vyjádˇrené vztahy:

p_i = p_iD na ∂Ω_iD, (3) u_i· n_i = u_iN na ∂Ω_iN, (4) u_i· n_i− σ(p_i− p_iD) = u_iN na ∂Ω_iW. (5) Diskretizac´ı z´ıskáme soustavu lineárn´ıch algebraických rovnic. Pro tento pˇr´ıpad byla pouˇzita sm´ıˇsená-hybridn´ı formulace MKP (v´ıce o diskretizaci v [5] ). Výsledná soustava má tvar:

Sⁱx_i = r_i, (6)

kde x_i = [u_i, p_i, λ_i]^T, r_i = [r_i1, r_i2, r_i3]^T a matice

Si =







Ai Bi Ci

B^Ti

C^Ti Fi







(7)

(12)

2.2 Slouˇ cen´ı 1D, 2D a 3D v´ ypoˇ ctu

Nyn´ı pˇrikroˇc´ıme k propojen´ı jednotlivých ˇcást´ı výpoˇctu problému. Zaˇcneme t´ım, ˇze vytvoˇr´ıme jeden velký systém obsahuj´ıc´ı vˇsechny ˇcásti

Sx = r, (8)

kde x_i = [x₁, x₂, x₃]^T, r_i = [r₁, r₂, r₃]^T a matice

S =





 S1

S2

S3







. (9)

2.2.1 Konformn´ı a nekonformn´ı propojen´ı element˚u

Ve výpoˇctu m˚uˇzeme uvaˇzovat dva druhy propojen´ı jednotlivých element˚u r˚uzné dimenze.

Prvn´ım druhem je konformn´ı propojen´ı. V tomto pˇr´ıpadˇe prvky niˇzˇs´ı dimenze leˇz´ı pouze na hranách ˇci stˇenách prvk˚u vyˇsˇs´ı dimenze. Tento zp˚usob je velmi nároˇcný na vytváˇren´ı s´ıtˇe pˇri sloˇzitˇejˇs´ıch tvarech zkoumaných oblast´ı.

Druhý zp˚usob, nazývaný nekonformn´ı propojen´ı, nepoˇzaduje ˇzádné spe- ciáln´ı um´ıstˇen´ı prvk˚u niˇzˇs´ı dimenze vzhledem k ostatn´ım prvk˚um.

Názorná ukázka jednotlivých moˇznost´ı propojen´ı je znázornˇena na obrázku 1.

Obr´azek 1: Konformn´ı a nekonformn´ı propojen´ı prvk˚u s r˚uznou dimenz´ı.

Pˇrevzato z [2].

(13)

2.2.2 V´ymˇena l´atek pˇres konformn´ı propojen´ı element˚u

Pro odvozen´ı je pouˇzito propojen´ı 1D a 2D element˚u, jak je nakresleno na obr´azku 2. Propojen´ı o ˇr´ad vyˇsˇs´ıch element˚u se provede analogicky.

Obrázek 2: Schéma látkové výmˇeny pˇres konformn´ı propojen´ı. Elementy jsou pro názornost nakresleny posunuté ve smˇeru ˇcárkovaných ˇcar. Pˇrevzato z [2]

Propojen´ı se chov´a jako nehomogen´ı okrajov´a podm´ınka pro element s vyˇsˇs´ı dimenz´ı a jako zdroj pro element s niˇzˇs´ı dimenz´ı.

u₁₁+ u₁₂= u_c (10)

Pˇri urˇcen´ı toku mezi jednotlivými elementy se pˇredpokládá, ˇze tok je pˇr´ımo

´

umˇern´y velikosti gradientu tlak˚u mezi jednotliv´ymi elementy

−u_C = σ_C(λ₂− p₁), (11) kde λ₂ je tlak na stranˇe 2D elementu, p₁ je tlak uprostˇred 1D elementu a σ_C je koeficient pˇrestupu.

Zapsan´ı podm´ınek dostaneme vztahy

−u_C − σ_Cλ₂− σ_Cp₁ = 0 (12) σ_Cλ₂− u_1,1− u_1,2− σ_Cp₁ = 0. (13) Porovnán´ım p˚uvodn´ıch rovnic a odpov´ıdaj´ıc´ıch rovnic nových m˚uˇzeme urˇcit potˇrebné zmˇeny matice S. Tyto zmˇeny jsou znázornˇeny v levé ˇcásti obrázku 3.

(14)

Obr´azek 3: Zaveden´ı konformn´ıho (vlevo) a nekonformn´ıho (vpravo) propojen´ı element˚u v glob´aln´ı matici. Pˇrevzato z [2]

2.2.3 V´ymˇena l´atek pˇres nekonformn´ı propojen´ı element˚u

Nyn´ı si odvod´ıme proudˇen´ı mezi dvˇema elementy s nekonformn´ı vazbou.

Stejnˇe jako v pˇredeˇslém pˇr´ıpadˇe se zamˇeˇr´ıme na vazbu mezi 1D a 2D elementy. Vztahy pro ostatn´ı propojen´ı jsou odvozeny analogicky. Schéma moˇzné vazby je na obrázku 4.

Obrázek 4: Schéma látkové výmˇeny pˇres nekonformn´ı propojen´ı 1D a 2D element˚u. Pˇrevzato z [2]

Tok mezi elementy je moˇzn´e popsat vztahem

u₁ = σ_I(p₂− p₁), (14)

(15)

eficient σ_I je závislý na vzdálenosti stˇred˚u a velikosti kˇr´ıˇzen´ı jednotlivých element˚u.

Rovnice zachov´an´ı hmoty pro 2D element je

−u_2,1− u_2,2− u_2,3− u_I = 0, (15) podobnˇe je ud´an i vztah pro 1D element

−u_1,1− u_1,2+ u_I = 0. (16) Spojen´ım tˇechto rovnic z´ıskáme výsledné vztahy

−u2,1− u2,2− u2,3− σIp2+ σIp1 = 0 (17)

−u_1,1− u_1,2+ σ_Ip₂− σ_Ip₁ = 0. (18) Je vidˇet, ˇze propojen´ı jednotliv´ych element˚u lze zajistit pˇriˇcten´ım nebo ode- ˇ

cten´ım σ_I v matici S jak názornˇe ukazuje pravá ˇcást obrázku 3.

(16)

3 Objektovˇ e orientovan´ e programov´ an´ı

K programu lze z hlediska v´yvoje pˇristupovat nˇekolika r˚uzn´ymi zp˚usoby.

V této kapitole se zamˇeˇr´ıme na základn´ı vlastnosti objektovˇe orientovaného pˇr´ıstupu. V´ıce o objektovém programován´ı je v [1].

Základem objektového pˇr´ıstupu je modelován´ı jednotlivých prvk˚u ˇreˇsené

´

ulohy, jak dat, tak i souvisej´ıc´ıch funkc´ı do jedné entity, nazývané objekt.

Objekt je schopen mˇenit sv˚uj stav a poskytuje operace, kter´e jej mohou zmˇenit nebo informovat o jeho stavu.

Abstrakce objektu, která popisuje jeho tvar v rámci programovac´ıho jazyka se ˇr´ıká tˇr´ıda. Tˇr´ıda obsahuje instrukce jak daný objekt vytvoˇrit, jaké má atributy (datové promˇenné) a metody (procedury a funkce). Objektem je nazývána konkrétn´ı instance této tˇr´ıdy.

3.1 Dˇ ediˇ cnost

Pˇri vytváˇren´ı objekt˚u se m˚uˇzeme rozhodnout, ˇze nový objekt bude m´ıt vlastnosti jiˇz existuj´ıc´ıho objektu, jelikoˇz obˇe reálné pˇredlohy pro daný model jsou podobné, ale nový objekt bude m´ıt nˇekolik vlastnost´ı nav´ıc. M˚uˇzeme vytvoˇrit novou tˇr´ıdu a dané metody a atributy do n´ı pˇrepsat. V tomto pˇr´ıpadˇe vˇsak bude problém pˇri dalˇs´ı zmˇenˇe, jelikoˇz bychom museli zdrojový kód upravovat na dvou m´ıstech. Proto objektové programován´ı umoˇzˇnuje vytváˇret potomky tˇr´ıdy. Tento potomek dˇed´ı vˇsechny atributy a metody pˇredchoz´ı tˇr´ıdy, které budou stále zapsány na jednom m´ıstˇe v programu a v pˇr´ıpadˇe úpravy je staˇc´ı pˇrepsat pouze tam. Odvozená tˇr´ıda pˇritom stále funguje jako objekt p˚uvodn´ı tˇr´ıdy a na m´ıstˇe, kde je oˇcekávána p˚uvodn´ı tˇr´ıda se m˚uˇze vyskytovat i jej´ı potomek.

3.2 Polymorfismus

Je vlastnost objektového programován´ı spojená s dˇediˇcnost´ı. Umoˇzˇnuje pˇre- kryt´ı metody bázové tˇr´ıdy metodou odvozené tˇr´ıdy.

(17)

Jeˇstˇe dále se dostaneme pomoc´ı virtuáln´ıch metod. Ty jsou propojeny dynamicky za bˇehu programu. Lze tedy pomoc´ı ukazatele na bázovou tˇr´ıdu ukazovat na odvozenou tˇr´ıdu a pˇri volán´ı virtuáln´ı metody se zavolá metoda deklarovaná v odvozené tˇr´ıdˇe.

3.3 Skl´ ad´ an´ı objekt˚ u

Dalˇs´ım vyuˇzit´ım objekt˚u je moˇznost rozloˇzit program na jednotlivé ˇcásti, vykonávaj´ıc´ı jednotlivé úlohy. Tyto ˇcásti maj´ı definované vstupy a výstupy, ale postup ˇreˇsen´ı, nebo-li to co je uvnitˇr, je z hlediska jejich pouˇzit´ı nepod- statné.

Jeden objekt m˚uˇze vlastnit odkazy na jiné objekty a vyuˇz´ıvat tak jejich metody, bez nutnosti znát konkrétn´ı implementaci. Pˇri údrˇzbˇe programu pak m˚uˇze být napˇr´ıklad ve vnoˇreném objektu zmˇenˇen zp˚usob uloˇzen´ı dat. Pokud si objekt zachová stejné rozhran´ı nen´ı nutné upravovat dalˇs´ı ˇcásti programu.

3.4 V´ yhody a nev´ yhody objektov´ eho pˇ r´ıstupu

Objektovˇe orientovaný program bývá pˇrehlednˇejˇs´ı, srozumitelnˇejˇs´ı a proto je snaˇzˇs´ı ho spravovat a inovovat. Pˇred objektovým programován´ım se pouˇz´ıval proceduráln´ı pˇr´ıstup, který spoˇc´ıval ve vytvoˇren´ı globáln´ıch dat, ke kterým se pˇristupovalo pomoc´ı globáln´ıch funkc´ı. Zde plyne hlavn´ı nevýhoda z glo- báln´ıho pˇr´ıstupu k dat˚um. Pˇrestoˇze je vývoj takovýchto program˚u z poˇcátku rychlý, s rostouc´ı velikost´ı a sloˇzitost´ı, a tedy i velikost´ı zdrojových kód˚u se zvyˇsuje nepˇrehlednost. Pˇri zmˇenˇe programu nastává nutnost upravovat program na v´ıce m´ıstech.

Pˇri vývoji objektového programu je vˇsak kladen d˚uraz na zapouzdˇren´ı, které umoˇzˇnuje pˇr´ıstup k dat˚um jen metodám dané tˇr´ıdy a program je tak moˇzné udrˇzovat pˇrehledný a tedy je snaˇzˇs´ı provádˇet údrˇzbu ˇci vylepˇsován´ı programu.

Nevýhodou tohoto pˇr´ıstupu vˇsak bývá vˇetˇs´ı ˇcasová nároˇcnost, jelikoˇz k pˇr´ıstupu k dat˚um se pouˇz´ıvaj´ı funkce a program se prodluˇzuje o náklady

(18)

spojené s volán´ım funkc´ı. To se dá vˇsak minimalizovat pouˇzit´ım ˇrádkových funkc´ı, kdy pˇrekladaˇc m´ısto vytvoˇren´ı volán´ı funkce vloˇz´ı pˇr´ıkazy z funkce do m´ısta volán´ı. T´ım se uˇsetˇr´ı ˇcas na volán´ı funkce, ale zvˇetˇs´ı se velikost programu, jelikoˇz daný obsah funkce je vloˇzen tolikrát, kolikrát je daná funkce volaná.

(19)

4 Popis programu flow123d

V této kapitole se budeme zabývat popisem programu a jeho vnˇejˇs´ımi da- tovými strukturami.

Nejprve pˇredstav´ıme základn´ı koncepci programu flow123d, dále pak po- p´ıˇseme jeho vstupn´ı a výstupn´ı formáty.

4.1 Reˇ zimy programu flow123d

Celý program byl realizován jako jedna aplikace, umoˇzˇnuj´ıc´ı pouˇzit´ı tˇr´ı mód˚u ˇ

cinnost´ı:

1. Reˇzim generov´an´ı souboru sousednost´ı 2. Reˇzim konverze vstupn´ıch soubor˚u 3. Reˇzim v´ypoˇctu

Pro spuˇstˇen´ı programu je nutné zadat dva parametry v pˇr´ıkazové ˇrádce.

Prvn´ım parametrem je druh ˇcinnosti, kterou m´a program vykonat a druh´ym je ˇr´ıd´ıc´ı soubor.

4.1.1 Generov´an´ı souboru sousednosti

Bˇehem tohoto reˇzimu dojde k vytvoˇren´ı souboru sousednosti, který obsahuje informaci o topologii s´ıtˇe. Jeho vytvoˇren´ı je ˇcasovˇe nároˇcné (kvadratická nároˇcnost na ˇcase) a proto je výhodné tuto ˇcinnost oddˇelit.

4.1.2 Konverze vstupn´ıch soubor˚u

Tento mód sloˇz´ı jako pomoc pˇri tvorbˇe modelu. Bˇehem bˇehu programu jsou naˇcteny vstupn´ı soubory, které jsou pˇrevedeny do formátu POS. Ten je moˇzné zobrazit pomoc´ı programu GMSH.

(20)

4.1.3 V´ypoˇcet

Po naˇcten´ı vstupn´ıch soubor˚u je provedena vlastn´ı simulace proudˇen´ı a transportu.

4.2 Vnˇ ejˇ s´ı datov´ e struktury

Ve vˇsech pˇr´ıpadech jde o textové soubory které jsou postupnˇe, v závislosti na druhu ˇcinnosti programu, naˇcteny po spuˇstˇen´ı.

4.2.1 R´ıd´ıc´ı souborˇ

R´ıd´ıc´ı soubor slouˇˇ z´ı konfiguraci ˇcinnosti programu. Jeho formát je shodný s formátem konfiguraˇcn´ıch INI soubor˚u systému MS Windows.

Soubor je sloˇzen ze sekc´ı, ve kter´ych obsahuje ˇr´adky typu kl´ıˇc = hodnota.

Pˇrednost´ı tohoto formátu je snadná editace a moˇznost pˇridáván´ı nových sekc´ı pˇri rozˇs´ıˇren´ı programu.

4.2.2 Soubor s´ıtˇe

Slouˇz´ı k prostorovému popisu s´ıtˇe. Pro tento soubor byl zvolen formát systému GMSH. Jde o velmi obecný formát a program flow123d vyuˇz´ıvá pouze nˇekolik moˇznost´ı tohoto formátu. Podrobnou specifikaci tohoto formátu je moˇzné naj´ıt v [3]. Standardnˇe se pro tento soubor pouˇz´ıvá pˇr´ıpona .MSH. Ostatn´ı vstupn´ı soubory jsou podobného stylu a proto se mu budeme vˇenovat trochu v´ıce.

Jde o textový soubor, rozˇclenˇený na sekce. Prvn´ı sekce ˇcasto slouˇz´ı k zaz- namenán´ı informace o typu souboru a jeho verzi. Ostatn´ı pak obsahuj´ı data.

Informace je organizována po ˇrádc´ıch. Kaˇzdý ˇrádek nese informaci o jednom objektu. Objekt je definován jednoznaˇcnˇe svým identifikaˇcn´ım ˇc´ıslem v rámci typu. Identifikaˇcn´ı ˇc´ıslo patˇr´ı do nezáporných, celých ˇc´ısel. Pomoc´ı nˇej se na tento objekt mohou odkazovat ostatn´ı objekty. Na uspoˇrádan´ı objekt˚u v rámci souboru nen´ı kladena ˇzádná podm´ınka.

(21)

Kromˇe identifikaˇcn´ıch ˇc´ısel mohou jednotliv´e objekty obsahovat tagy.

Jde o mnoˇzinu celých nezáporných ˇc´ısel. Jejich poˇcet a význam je volitelný a záleˇz´ı na uˇzivateli jak je pouˇzije. Je moˇzné m´ıt r˚uzný poˇcet tag˚u i v rámci jednoho typu. Program flow123d definuje nˇekteré tagy jako povinné a pˇridˇe- luje jim konkrétn´ı vlastnosti.

To bylo k obecnému formátu a nyn´ı se pod´ıváme konkrétnˇe na soubor s´ıtˇe. Ten obsahuje dvˇe datové sekce. Prvn´ı je urˇcena pro uzly a druhá pro elementy. Obsahem uzlu je jeho pozice pomoc´ı kartézských souˇradnic. Ele- ment obsahuje informaci o svém typu, identifikaˇcn´ı ˇc´ısla uzl˚u ze kterých je tvoˇren a své tagy. Prvn´ı tag je definován jako odkaz na materiál, ze kterého se element skládá.

4.2.3 Soubor materi´alov´ych vlastnost´ı

Soubor je oznaˇcován pˇr´ıponou .MTR. Obsahuje informace o jednotlivých materiálech v oblasti, kde simulace prob´ıhá. Soubor je rozdˇelen do sekc´ı, kde kaˇzdá sekce popisuje jednu fyzikáln´ı veliˇcinu, urˇcenou jménem sekce.

V sekci jsou dále definovány jednotlivé materiály a jim je pˇriˇrazená konkrétn´ı hodnota.

4.2.4 Soubor okrajov´ych podm´ınek

Daný model proudˇen´ı umoˇzˇnuje definovat okrajové podm´ınky Dirichletova, Neumannova a Newtonova typu. Implicitnˇe je na kaˇzdé hranici uvaˇzována homogenn´ı podm´ınka Neumanova typu. Ta je pˇredpokládána vˇsude, kde nen´ı uvedena explicitnˇe jiná podm´ınka.

Vˇsechny okrajové podm´ınky v souboru maj´ı definovaný sv˚uj typ. Na nˇem závis´ı poˇcet a význam dalˇs´ıch uvedených hodnot. Dalˇs´ı informace je o objektu, kde je podm´ınka zavedena (uzel ˇci stˇena) a tento objekt je identi- fikován. Nakonec definice okrajové podm´ınky jsou uvedeny tagy, kde prvn´ı urˇcuje skupinu. Model proudˇen´ı pak sˇc´ıtá objem kapaliny proˇslé skrz hranici pro jednotlivé skupiny.

(22)

4.2.5 Soubor zdroj˚u kapaliny

Soubor oznaˇcovan´y pˇr´ıponou .SRC, slouˇz´ı k urˇcen´ı zdroj˚u uvnitˇr oblasti.

Zdroje jsou spojeny s konkr´etn´ım elementem a urˇcuj´ı intenzitu vtlaˇcen´ı ˇci ˇ

cerpán´ı objemu za ˇcas. Zavedená konvence je, kladná hodnota pro vtlaˇcen´ı a záporná pro ˇcerpán´ı.

Tento soubor je volitelný a pokud nen´ı uveden v ˇr´ıd´ıc´ım souboru, výpoˇcet bude prob´ıhat bez uvaˇzován´ı vnitˇrn´ıch zdroj˚u.

4.2.6 Soubor sousednosti element˚u s´ıtˇe

Tento soubor je odliˇsný od ostatn´ıch. Pˇredevˇs´ım je tento soubor generován ve speciáln´ım bˇehu programu flow123d. Druhá odliˇsnost spoˇc´ıvá v tom, ˇze tento soubor nen´ı pro bˇeh programu nutný, jelikoˇz vˇsechny informace jsou jiˇz obsaˇzeny v souboru s´ıtˇe.

Zpracován´ı a zjiˇstˇen´ı sousednosti je ˇcasovˇe nároˇcná úloha. ˇCasto ji staˇc´ı zjistit jen jednou pro r˚uzné výpoˇcty, kde se mˇen´ı materiálové ˇci okrajové podm´ınky na stejné s´ıti. Vytvoˇren´ım tohoto souboru tedy lze výraznˇe sn´ıˇzit ˇ

cas v´ypoˇctu.

Soubor má jednu datovou sekci, kde na kaˇzdém ˇrádku je definovaná mnoˇzina propojených stˇen a/nebo element˚u. Pˇr´ıpona souboru je .NGH.

4.2.7 Soubor okrajov´ych podm´ınek transportu

Soubor oznaˇcovaný pˇr´ıponou .TRB zavád´ı hodnoty poˇcáteˇcn´ıch koncentrac´ı na hranici oblasti. Tyto hodnoty jsou spojeny s okrajovými podm´ınkami proudˇen´ı. Podobnˇe jako okrajové podm´ınky proudˇen´ı i zde je implicitnˇe pˇredepsaná podm´ınka a to nulová. Jinak ˇreˇceno, pokud nen´ı pˇredepsaná jiná podm´ınka, uvaˇzuje se nulová koncentrace látek ve vtékaj´ıc´ı kapalinˇe. Pokud je podm´ınka pˇredepsaná v m´ıstˇe kde kapalina opouˇst´ı oblast je tato podm´ınka ignorována.

(23)

4.2.8 Soubor poˇc´ateˇcn´ıch podm´ınek

Soubor s pˇr´ıponou .ICD je zpravidla generován výpoˇctem. Pouˇz´ıvá se pˇri výpoˇctu neustáleného proudˇen´ı a transportu. Soubor obsahuje promˇenný poˇcet sekc´ı, pro nˇekolik ˇcasových okamˇzik˚u. V kaˇzdé sekci jsou vypsány hodnoty tlak˚u v tˇeˇziˇsti element˚u a stˇen a hodnoty objemových tok˚u pˇres stˇeny elementu.

4.2.9 Soubor poˇc´ateˇcn´ıho rozloˇzen´ı koncentrace

Tento soubor obsahuje poˇcáteˇcn´ı rozloˇzen´ı koncetrac´ı. Informace je zapsána pro kaˇzdý element s´ıtˇe a udává hodnoty koncentrac´ı pro zaˇcátek simulace.

Tento soubor m´a pˇr´ıponu .CON.

4.2.10 V´ystupn´ı soubory

Program flow123d generuje tˇri druhy výstupn´ıch soubor˚u. Prvn´ı soubor s pˇr´ı- ponou .POS slouˇz´ı k vizualizaci výsledk˚u. Druhé dva je pak moˇzné pouˇz´ıt jako vstupn´ı hodnoty pro dalˇs´ı simulaci.

POS-soubory jsou urˇcené k vizualizaci pomoc´ı programu GMSH. Výsledky jsou uloˇzeny pomoc´ı zadaných bod˚u v prostoru a vypoˇctené hodnoty jsou zadány formou souˇradnic. Tento formát nen´ı vhodný pro dalˇs´ı pouˇzit´ı ve výpoˇctu, jelikoˇz se ztratila vazba na s´ıt’.

Proto byly zavedeny dalˇs´ı dva soubory které jsou formálnˇe totoˇzné se soubory poˇcáteˇcn´ıch podm´ınek (ICD-soubor) a poˇcáteˇcn´ıho rozloˇzen´ı koncentrace (CON-soubor).

(24)

5 Vnitˇ rn´ı datov´ e tˇ r´ıdy

V následuj´ıc´ı ˇcásti budou popsány jednotlivé tˇr´ıdy v programu. Pˇredt´ım neˇz se zaˇcneme vˇenovat tˇr´ıdám odpov´ıdaj´ıc´ım strukturám v p˚uvodn´ım programu, budeme se vˇenovat parametrizovaným typ˚um neboli ˇsablonám. Poté se pod´ıváme na dvˇe ˇsablony pouˇzité k vytvoˇren´ı propojených seznam˚u.

5.1 ˇ Sablony

Sablony jsou zabudovan´ˇ e nástroje jazyka C++ a umoˇzˇnuj´ı vytváˇret parametri- zované typy. Tyto typy mohou mˇenit svoje chován´ı dle parametr˚u zadaných pˇri jejich vytvoˇren´ı. Jejich pouˇzit´ı je výhodné zejména tam, kde se opakuje témˇeˇr shodný kód. Jedn´ım z tˇechto pˇr´ıpad˚u je vytváˇren´ı seznamu tˇr´ıd, jelikoˇz se z velké ˇcásti mˇen´ı jen typ ukládané tˇr´ıdy.

Ve vytváˇreném programu bylo pouˇzito dvojice ˇsablon k vytvoˇren´ı obou- smˇerného lineárn´ıho seznamu. Prvn´ı parametrizovaný typ slouˇz´ı k uloˇzen´ı jedné tˇr´ıdy. Druhý pak k obsluze metod celého seznamu, jako napˇr´ıklad pˇridáván´ı nových prvk˚u ˇci jejich vyhledáván´ı.

5.1.1 Sablona CList nodeˇ

Je základn´ım stavebn´ım prvkem seznamu. Jako parametr obsahuje ukazatel na ukládanou tˇr´ıdu. Ve výpisu 5 je uvedena jej´ı deklarace.

Na prvn´ım ˇrádku je uvedena definice parametru pouˇzitého v této tˇr´ıdˇe. Na ˇrádc´ıch ˇctyˇri aˇz ˇsest jsou definovaná data objektu. Ve vˇsech tˇrech pˇr´ıpadech jde o ukazatele. Prvn´ı dva jsou urˇceny k vytváˇren´ı seznamu. Posledn´ı pak ukazuje na ukládaná data.

Na ostatn´ıch ˇrádc´ıch jsou definované metody umoˇzˇnuj´ıc´ı nastavován´ı a pˇr´ı- stup k tˇemto dat˚um.

CList node() je konstruktor tˇr´ıdy. Je volán pˇrekladaˇcem vˇzdy, kdyˇz je vytvoˇrena nová instance tˇr´ıdy. Slouˇz´ı k nastaven´ı dat na poˇcáteˇcn´ı hodnoty. V tomto pˇr´ıpadˇe nastav´ı vˇsechny ukazatele na hodnotu NULL.

(25)

Obr´azek 5: V´ypis tˇr´ıdy CList node

1 : template <class T_class>

2 :class CList_node{

3 : private:

4 : CList_node * Next;

5 : CList_node * Prev;

6 : T_class * Data;

7 : public:

8 : CList_node();

9: CList_node(const CList_node & );

10: ~CList_node();

11: CList_node *next();

12: CList_node *prev();

13: T_class *data();

14: void set(T_class* );

15: void next(CList_node *);

16: void prev(CList_node *);

17: void free();

18:};

CList node(const CList node &) je kop´ırovac´ı konstruktor. Slouˇz´ı k nastaven´ı chov´an´ı pˇri kop´ırov´an´ı instanc´ı tˇr´ıd.

CList node() je destruktor. Je volán kompilátorem vˇzdy kdyˇz docház´ı k likvidaci instance. Datová instance uloˇzená v tomto uzlu nen´ı ruˇsena.

*next() vrac´ı ukazatel na dalˇs´ı prvek v seznamu.

*prev() vrac´ı ukazatel na pˇredchoz´ı prvek v seznamu.

*data() vrac´ı ukazatel na parametrizovan´y typ.

set(T class* ) slouˇz´ı k nastaven´ı ukazatele na objekt, který má být vloˇzen do seznamu.

(26)

next(CList node *) je pouˇzit pˇri vytváˇren´ı seznamu, kdy se nastav´ı ná- sleduj´ıc´ı prvek seznamu. Pokud je tento prvek posledn´ım, nenastavuje se nic a implicitnˇe z˚ustává hodnota NULL.

prev(CList node *) je pouˇzit pˇri vytv´aˇren´ı seznamu, kdy se nastav´ı pˇred- choz´ı objekt.

free() slouˇz´ı k destrukci objektu kter´y je uloˇzen v ukazateli Data. Po jeho likvidaci je ukazateli pˇriˇrazena hodnota NULL.

5.1.2 Sablona CListˇ

Tato ˇsablona byla navrˇzena jako správce seznamu. Parametrem je opˇet uklá- daná tˇr´ıda. Kromˇe vytvoˇren´ı a správy seznamu umoˇzˇnuje tato ˇsablona pˇr´ıstup k jednotlivým prvk˚um pomoc´ı jejich identifikaˇcn´ıho ˇc´ısla. Identifikaˇcn´ı ˇc´ıslo mus´ı být jiˇz souˇcást´ı ukládané tˇr´ıdy a mus´ı být typu int.

Jelikoˇz se jedn´a o ˇsablonu mus´ı deklarace zaˇc´ınat definov´an´ım parametru.

Na dalˇs´ıch ˇrádc´ıch jsou pak definovány jednotlivá data. Tato data se daj´ı rozdˇelit do dvou skupin. Tou prvn´ı jsou data nutná k funkˇcnosti seznamu.

Tˇemi jsou jen ukazatel´e na prvn´ı a posledn´ı prvek seznamu.

Ostatn´ı data slouˇz´ı pouze k urychlen´ı nebo zjednoduˇsen´ı ˇcinnosti. Sem patˇr´ı napˇr´ıklad ukazatel na aktuáln´ı prvek, který usnadˇnuje procházen´ı celého seznamu.

V deklaraci je opˇet definován konstruktor, destruktor a metoda k uvolnˇen´ı dat v celém seznamu (free()). Dále pak odkazy na prvn´ı a posledn´ı prvek seznamu a jejich indexy. Dalˇs´ı metody se budou popsány podrobnˇeji:

add(T class *, int =0 ) slouˇz´ı k pˇridán´ı prvku do seznamu. Nový prvek je pˇridán na konec seznamu.

init(int) vytváˇr´ı nový seznam prvk˚u. Pˇredávaným argumentem je poˇcet ˇ

clen˚u seznamu. Pˇri vytv´aˇren´ı jsou vytvoˇreny i jednotliv´e prvky.

init empty(int) vytváˇr´ı nový seznam prvk˚u. Pˇredávaným argumentem je

(27)

seznam. T´ım je myˇsleno vytvoˇren´ı a propojen´ı jednotlivých uzl˚u seznamu, které ovˇsem neobsahuj´ı ˇzádná data.

set(int,T class *) nastav´ı uzlu na dan´e pozici zadanou tˇr´ıdu.

make hash() vytvoˇr´ı pole ukazatel˚u na parametry dané instance. Pole je uloˇzené v datové poloˇzce Hash. Poˇcet ukazatel˚u je dán maximáln´ım identifikaˇcn´ım ˇc´ıslem v jiˇz existuj´ıc´ım seznamu. Pˇri vytváˇren´ı pole jsou vˇsechny ukazatelé nastaveny na hodnou NULL. Po vytvoˇren´ı pole se projde celý seznam a kaˇzdému prvku se podle jeho identifikaˇcn´ıho ˇ

c´ısla pˇriˇrad´ı pozice ve vytvoˇreném poli. Nakonec je nastaven pˇr´ıznak Hash init. Tento pˇr´ıznak je vynulován pˇri zmˇenˇe struktury seznamu (pˇridán´ı nového prvku).

operator [ ](int) - tato definice deklaruje operátor, pomoc´ı kterého lze pˇris- tupovat k jednotlivým prvk˚um pole pˇres index. Pˇred navrácen´ım ukazatele na daný prvek je ovˇeˇreno, ˇze daný prvek m˚uˇze existovat (index nen´ı menˇs´ı neˇz nula a vˇetˇs´ı neˇz maximáln´ı poˇcet prvk˚u).

Po této kontrole se urˇc´ı, odkud je nejlepˇs´ı procházet seznam k ne- jrychlejˇs´ımu nalezen´ı dané pozice. Nejprve je zkontrolováno, zda pozice hledaného prvku nen´ı o jednu vˇetˇs´ı neˇz je pozice aktuáln´ı. To je provádˇeno kv˚uli maximáln´ımu zrychlen´ı pˇri procházen´ı seznamu prvek po prvku. Pokud to nen´ı splnˇeno zjist´ı se který ze tˇr´ı ukazatel˚u je nejbl´ıˇz (prvn´ı, aktuáln´ı nebo posledn´ı) a od nˇej se zaˇcne procházet seznam.

Ukazatel na aktu´aln´ı prvek je pak pˇresunut na hledan´y prvek.

operator ()(int) - pomoc´ı této definice je vytvoˇren operátor umoˇzˇnuj´ıc´ı pˇr´ıstup k jednotlivým poloˇzkám pomoc´ı jejich identifikaˇcn´ıho ˇc´ısla.

Tato metoda je pouˇzitelná pouze aˇz po vytvoˇren´ı pole. Pˇred navrácen´ım ukazatele se kontroluje, jestli daný prvek m˚uˇze existovat a pak je vrácena hodnota na pozici odpov´ıdaj´ıc´ı zadané hodnotˇe. Dalˇs´ı kontrola v tomto operátoru neprob´ıhá takˇze je moˇzné, ˇze vrácená hodnota bude NULL (prvek daného ˇc´ısla nen´ı v tomto seznamu).

(28)

next() vrac´ı ukazatel na prvek nacházej´ıc´ı se za aktuáln´ım prvkem v seznamu. Zároveˇn dojde k posunu aktuáln´ıho prvku. D´ıky tomuto lze rychleji pˇristupovat k prvk˚um nacházej´ıc´ım se v seznamu za sebou.

Nebezpeˇc´ı pouˇzit´ı spoˇc´ıvá ale v tom, ˇze aktuáln´ı prvek je také zmˇenˇen pˇri vyhledáván´ı pomoc´ı operátoru [ ], nebo pˇri vloˇzen´ı nových dat.

Pokud je aktu´aln´ı prvek na konci seznamu je vr´acena hodnota NULL.

prev() pracuje podobnˇe jako pˇredchoz´ı metoda, jen vrac´ı ukazatel na pˇred- ch´azej´ıc´ı prvek.

(29)

Obr´azek 6: V´ypis tˇr´ıdy CList

1 :template <class T_class>

2 :class CList{

3 : private:

4 : CList_node<T_class> * First;

5 : CList_node<T_class> * Last;

6 : CList_node<T_class> * Aktual;

7 : T_class **Hash;

8 : long int Max_id;

9 : bool Hash_init;

10: unsigned int Flag;

11: long int N_list_node;

12: long int Aktual_poz;

13:

14: void add_empty();

15:public:

16: CList();

17: ~CList();

18: void free();

19: void add(T_class *, int =0 );

20: void init(int);

21: void init_empty(int);

22: void set(int,T_class *);

23: void make_hash();

24: T_class * operator [](int poz);

25: T_class * operator ()(int poz_id);

26: T_class * next() ; 27: T_class * prev() ; 28: T_class * first() ; 29: T_class * last() ;

30: int first_index() const;

31: int last_index() const;

32: int max_id() const;

33: bool data_init()const;

34:};

(30)

5.2 Tˇ r´ıdy

V programu flow123d v popisované verzi jsou implementovány následuj´ıc´ı tˇr´ıdy:

• ´Uloha (CProblem)

• S´ıt’ (CMesh)

• Uzel (CNode)

• ELement (CElement)

• Stˇena (CSide)

• Hrana (CEdge)

• Materi´al (CMaterial)

• Okrajov´a podm´ınka (CBoundary)

• Poˇc´ateˇcn´ı podm´ınka (CInitial)

• Okrajov´a podm´ınka transportu (CTransport bcd)

• Poˇc´ateˇcn´ı rozloˇzen´ı koncentrace (CConcentration)

• Zdroj (CSource)

• Soused (CNeighbour)

• Matice (CMatrix)

• Chyba (CError)

• Syst´em (CSystem)

Vˇetˇsina tˇechto tˇr´ıd má pˇr´ımou vazbu na vstupn´ı soubory (vnˇejˇs´ı datové struktury), ze kterých jsou hodnoty kop´ırovány do pˇr´ısluˇsných datových ˇclen˚u.

Kromˇe Úlohy, S´ıtˇe, Matice a Systému existuj´ı výˇse uvedené tˇr´ıdy v mnoha

(31)

instanc´ıch. Pro jejich uloˇzen´ı byla pouˇzita výˇse popsaná ˇsablona (mimo tˇr´ıdu Chyby, jej´ıˇz instance jsou uloˇzeny pomoc´ı pole a zadány jsou pˇr´ımo ve zdro- jovém kódu).

5.2.1 CProblem

Jde o datovou tˇr´ıdu která v programu flow123d má jedinou instanci. Tˇr´ıda je vytvoˇrená jeˇstˇe pˇred spuˇstˇen´ım hlavn´ı procedury, coˇz zaruˇcuje, ˇze pˇri náhlém ukonˇcen´ı programu, ke kterému docház´ı pˇri programovém zjiˇstˇen´ı chyby, dojde po vypsán´ı údaj˚u k zavolán´ı destruktoru této tˇr´ıdy. Obsahuje vˇsechny

´

udaje z INI-souboru, podle kter´ych se pak odv´ıj´ı cel´y bˇeh programu.

Deklarace této tˇr´ıdy je znaˇcnˇe obsáhlá a proto zde nebude uveden kom- pletn´ı výpis (ten je uveden v hlaviˇckovém souboru problem.hpp), ale zm´ın´ım se jen o nˇekolika podstatných metodách této tˇr´ıdy.

get params slouˇz´ı ke kontrole vstupn´ıch argument˚u pˇredaných v pˇr´ıkazové ˇrádce. Pokud jsou zadány neadekvátnˇe, program vyp´ıˇse oˇcekávaný vstup a po stisknut´ı klávesy ENTER se ukonˇc´ı.

make slouˇz´ı k naˇcten´ı ˇr´ıd´ıc´ıho souboru. Cel´a metoda je rozdˇelena do dvou ˇ

cásti ˇreˇsených pomoc´ı privátn´ıch metod:

1. Metoda read ini file urˇcen´a k naˇcten´ı ˇr´ıd´ıc´ıho souboru.

2. Metoda check ini values slouˇz´ı ke kontrole, zda byly zadány vˇsech- ny potˇrebné vstupn´ı soubory a jestli základn´ı konstanty jsou zadány ve správném rozsahu moˇzných hodnot.

make mesh slouˇz´ı k naˇcten´ı vstupn´ıch soubor˚u a vytvoˇren´ı seznam˚u ostatn´ıch tˇr´ıd. To, které seznamy budou vytvoˇreny, závis´ı na typu úlohy.

Dále pak jsou vytvoˇrená indexová pole (pomoc´ı parametrizované tˇr´ıdy Clist popsané v 5.1.2).

topology slouˇz´ı k propojen´ı jednotlivých tˇr´ıd pomoc´ı ukazatel˚u m´ısto iden- tifikaˇcn´ıch ˇc´ısel, která byla zadána ve vstupn´ıch souborech. V této

(32)

metodˇe je d˚uleˇzité zachovat správné poˇrad´ı pˇr´ıkaz˚u (jde ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpadech o metody tˇr´ıdy CMesh) jelikoˇz nˇekteré metody jiˇz pˇredpo- kládaj´ı zadané ukazatele pomoc´ı pˇredeˇslých metod.

preprocess slouˇz´ı k nastaven´ı poˇc´ateˇcn´ıch hodnot do jednotliv´ych eleme- ment˚u.

process vˇetv´ı program podle zadané úlohy. Pro kaˇzdou je vytvoˇrena pˇr´ı- sluˇsná metoda poˇc´ıtaj´ıc´ı daný úkol.

posprocess pˇrevád´ı vypoˇctené výsledky z matice do daných tˇr´ıd a poˇc´ıtá transport koncentrac´ı (jestliˇze to je souˇcást´ı zadán´ı). Na rozd´ıl od pˇred- choz´ıch metod je tato metoda soukromá.

output je posledn´ı uvedenou metodou. Slouˇz´ı k pˇreveden´ı hodnot uloˇzených v jednotlivých tˇr´ıdách do výstupn´ıch soubor˚u.

5.2.2 CMesh

Stejnˇe jako pˇredeˇslá tˇr´ıda i tato má bˇehem programu jen jednu instanci. Tˇr´ıda slouˇz´ı ke skladován´ı ostatn´ıch instanc´ı tˇr´ıd, pˇredevˇs´ım v podobˇe seznamu realizovaného pomoc´ı výˇse zm´ınˇené ˇsablony CList. Pro kaˇzdý druh existuje jedna instance této parametrizované tˇr´ıdy.

Metody t´eto tˇr´ıdy lze rozdˇelit do nˇekolik skupin podle ˇcinnosti, kterou vykon´avaj´ı:

1. Základn´ı metody. Slouˇz´ı k nastaven´ı ˇci k dotazu na konkrétn´ı data v tˇr´ıdˇe. Jde pˇredevˇs´ım o nastaven´ı jmen soubor˚u, ze kterých jsou pak naˇc´ıtána data. Mezi dotazy pak patˇr´ı pˇredevˇs´ım poˇcet prvk˚u nˇejaké instance (element˚u, uzl˚u . . . ). Tyto metody jsou vˇetˇsinou velmi jedno- duché.

2. Metody pro naˇcten´ı dat. Slouˇz´ı pro naˇcten´ı dat ze soubor˚u. Pˇri naˇc´ıtán´ı je nejprve zjiˇstˇen a poté vytvoˇren potˇrebný poˇcet instanc´ı daného typu.

(33)

Poté se kaˇzdé instanci pˇredá jeden ˇrádek ze vstupn´ıho souboru k nastaven´ı dat.

Do této skupiny patˇr´ı i metody, které nemaj´ı vstupn´ı soubory, jelikoˇz potˇrebné informace jsou jiˇz naˇcteny. Jde o metody pro vytvoˇren´ı seznamu Stˇen a Hran (v´ıce o tom co je myˇsleno stˇenou a hranou je po- jednáno v 5.2.6 a 5.2.5). Vˇsechny metody z této skupiny jsou volány pˇri vytváˇren´ı s´ıtˇe jiˇz zmiˇnovanou metodou make mesh pˇredeˇslé tˇr´ıdy.

3. Metody pro vytvoˇren´ı indexového pole. Tyto metody jsou opˇet velmi jednoduché, jelikoˇz se vˇzdy jedná jen o zavolán´ı metody parametrizo- vané tˇr´ıdy CList.

4. Metody topologie. Metody této skupiny slouˇz´ı k propojen´ı instanc´ı pomoc´ı ukazatel˚u odpov´ıdaj´ıc´ıch identifikaˇcn´ım ˇc´ısl˚um. V pr˚ubˇehu tˇechto metod se nejˇcastˇeji objev´ı chyba návrhu s´ıtˇe. T´ım je myˇsleno napˇr´ıklad identifikaˇcn´ı ˇc´ıslo odkazuj´ıc´ı na neexistuj´ıc´ı materiál.

5. Metody výpisu. Jde o metody konverguj´ıc´ı vnitˇrnˇe uloˇzená data do výstupn´ıch formát˚u. Jsou dˇelena podle tˇr´ıdy, která se má vypsat a vˇet- ˇsinou jde o procházen´ı celého seznamu a postupné volán´ı vypisuj´ıc´ı funkce pro danou tˇr´ıdu.

6. Metody výpoˇctu. Jde o pomocné výpoˇcty slouˇz´ıc´ı k vytvoˇren´ı potˇrebných

´

udaj˚u pro dosazen´ı do hlavn´ı matice a následnˇe pro vyˇcten´ı dat ze z´ıskaných výsledk˚u a jejich pˇriˇrazen´ı do vnitˇrn´ıch datových struktur.

7. Metody pro tvorbu sousednosti. Posledn´ı skupinou jsou metody pro zjiˇstˇen´ı sousednosti jednotliv´ych prvk˚u.

5.2.3 CNode

Tˇr´ıda urˇcená k nesen´ı informace o poloze v prostoru. Kromˇe své polohy obsahuje informaci o velikosti koncentrace v daném m´ıstˇe, skalárn´ı veliˇcinˇe v tomto i pˇredeˇslém kroku výpoˇctu. Skalárn´ı veliˇcinou je v modelu tlak.

(34)

Tato tˇr´ıda muˇze b´yt v jin´e formulaci mnohem d˚uleˇzitˇejˇs´ı.

Kromˇe tˇechto veliˇcin urˇcených pˇr´ımo k výpoˇctu jsou souˇcást´ı tˇr´ıdy dvˇe dynamicky alokovaná pole, obsahuj´ıc´ı ukazatele na elementy a stˇeny ke kterým tato tˇr´ıda náleˇz´ı.

Metody této tˇr´ıdy umoˇzˇnuj´ı pˇr´ıstup k datovým ˇclen˚um. Pokud se jedná o dynamicky alokovaná data, je provedena kontrola, zda je daný index platný.

5.2.4 CElement

Je nejvˇetˇs´ı a nejd˚uleˇzitˇejˇs´ı tˇr´ıdou z hlediska výpoˇctu. V této tˇr´ıdˇe se pˇred výpoˇctem shromaˇzd’uje vˇetˇsina potˇrebných dat. Nav´ıc obsahuje znaˇcný poˇcet odkaz˚u na ostatn´ı objekty.

Metody t´eto tˇr´ıdy se daj´ı rozdˇelit do nˇekolika skupin:

1. Metody urˇcené ke ˇcten´ı stavu tˇr´ıdy. Poskytuj´ı pouze jednosmˇerný pˇr´ıstup k dat˚um a to ˇcten´ı. Pokud jde o data, která jsou ukládaná do pole, je provádˇen test, jestli dotaz na hodnotu nen´ı mimo toto pole.

2. Metody urˇcené k nastaven´ı dat. Tyto metody ukládaj´ı zadanou hodnotu. Ve vˇsech pˇr´ıpadech zaˇc´ınaj´ı slovem set. Pokud se jedná o hodnoty ukládané do pole je provedena kontrola, zda zadaná pozice nen´ı mimo vytvoˇrené pole. Spolu s pˇredchoz´ı skupinou tvoˇr´ı nejpoˇcetnˇejˇs´ı metody této tˇr´ıdy.

3. Výpoˇctové metody. Slouˇz´ı k nastaven´ı promˇenných z jiˇz uloˇzených dat nebo pomoc´ı odkaz˚u na jiné objekty. Jde napˇr´ıklad o výpoˇcet tenzoru hydraulické vodivosti a jeho inverzi, velikost elementu, výpoˇcet stˇredu elementu, . . . .

4. Metody k nastaven´ı odkaz˚u. Jde o metody slouˇz´ıc´ı k propojen´ı vrchol˚u (CNode) se stˇenami (CSide).

5. Metody k vytváˇren´ı lokáln´ı matice a globáln´ı matice.

(35)

5.2.5 CSide

Podobnˇe jako pˇredchoz´ı nese tato tˇr´ıda ˇcetn´e odkazy na souvisej´ıc´ı tˇr´ıdy.

Dále obsahuje geometrické údaje a ˇcást výsledk˚u z globáln´ı matice. Stˇenou je v tomto programu myˇslena souˇcást hranice elementu, jej´ıˇz geometrický tvar závis´ı na tvaru elementu. Konkrétnˇe jde o body v pˇr´ıpadˇe ˇcar, úseˇcky v pˇr´ıpadˇe ploch a trojúheln´ık˚u v pˇr´ıpadˇe ˇctyˇrstˇen˚u.

Tˇr´ıda stˇeny nemá ˇzádný zdrojový soubor a je vytvoˇrena pomoc´ı jiˇz na- ˇ

ctených informac´ı v elementech a uzlech s´ıtˇe. Metody této tˇr´ıdy souvis´ı se základn´ı manipulac´ı s privátn´ımi datovými promˇennými jako je nastaven´ı a pˇredán´ı hodnoty promˇenné. Dále pak k výpoˇctu potˇrebných geometrických vlastnost´ı jako je velikost, pozice stˇredu, apod.

5.2.6 CEdge

Podobnˇe jako pˇredchoz´ı tˇr´ıda neodpov´ıdá pˇr´ımo této tˇr´ıdˇe ˇzádný vstupn´ı soubor. Jednotlivé hrany jsou generovány podle informac´ı z jiˇz hotových stˇen. Hranou je v popisovaném programu myˇslena mnoˇzina stˇen téhoˇz typu, které zauj´ımaj´ı shodnou pozici v prostoru.

5.2.7 CMaterial

Struktura slouˇz´ıc´ı k naˇcten´ı informac´ı ze vstupn´ıho souboru. Pozdˇeji jsou materi´alov´e koeficienty pˇresunuty pˇr´ımo do elementu.

Jediným moˇzným nastaven´ım datových promˇenných této tˇr´ıdy je naˇcten´ı ze souboru. Ostatn´ı metody pak slouˇz´ı pouze k z´ıskáni konkrétn´ıch hodnot tˇechto promˇenných.

5.2.8 CBoundary

Tato tˇr´ıda slouˇz´ı k naˇcten´ı a uchován´ı potˇrebných údaj˚u ke klasifikaci okra- jové podm´ınky. Kromˇe koeficient˚u potˇrebných k popsán´ı podm´ınky obsahuje tato tˇr´ıda odkaz na stˇenu, na které je okrajová podm´ınka uplatnˇena a pˇr´ıpadnˇe na pˇr´ısluˇsnou okrajovou podm´ınku transportu.

(36)

Jako v pˇredeˇslém pˇr´ıpadˇe nen´ı moˇzné konkrétn´ı promˇenné pˇriˇradit libo- volnou hodnotu. Pro vˇetˇsinu promˇenných je jedinou moˇznost´ı, jak zmˇenit jejich hodnotu naˇcten´ı dat ze souboru. Jinak je pˇr´ıstup k promˇenným pouze jednosmˇerný a je umoˇznˇeno je pouze ˇc´ıst.

5.2.9 CInitial

Pomoc´ı seznamu tˇechto tˇr´ıd jsou naˇcteny poˇcáteˇcn´ı podm´ınky. Po vytvoˇren´ı topologie v programu jsou jednotlivé hodnoty poˇcáteˇcn´ıch podm´ınek nahrány do pˇr´ısluˇsných promˇenných daného elementu.

Metody t´eto tˇr´ıdy jsou vesmˇes urˇceny pouze pro ˇcten´ı zadan´ych hodnot.

Hodnoty jsou nastaveny pˇri ˇcten´ı ze vstupn´ıho souboru.

5.2.10 CTransport bcd

V této tˇr´ıdˇe je uloˇzen jeden ˇrádek z TRB-souboru (koncentrace látek na hranici studované oblasti). Nastaven´ı tˇechto hodnot se provád´ı pouze pˇri naˇc´ıtán´ı dat ze vstupn´ıho souboru. Ostatn´ı metody jsou urˇcené pouze pro ˇ

cten´ı dan´ych promˇenn´ych.

5.2.11 CConcentration

Seznam tˇechto tˇr´ıd reprezentuje CON-soubor. Po vyˇreˇsen´ı topologie jsou naˇctené hodnoty pˇrepsány do pˇr´ısluˇsných promˇenných tˇr´ıdy CElement.

Metody této tˇr´ıdy opˇet slouˇz´ı pouze k z´ıskán´ı hodnot a nastaven´ı jejich hodnot prob´ıhá jen pˇri naˇc´ıtán´ı ze souboru.

5.2.12 CSource

Obsahuje informaci o velikost´ı vtlaˇcen´ı nebo s´an´ı a odkaz na pˇr´ısluˇsn´y element, kde se tato informace uplatˇnuje.

Metody se neliˇs´ı od pˇredchoz´ıch a slouˇz´ı opˇet k naˇcten´ı hodnot ze souboru a d´ale pak umoˇzˇnuj´ı jednosmˇern´y pˇr´ıstup k dat˚um.

(37)

5.2.13 CNeighbour

Seznam tˇr´ıd CNeighbour je d˚uleˇzit´y pro ˇreˇsen´ı topologie a urˇcen´ı propojen´ı jednotliv´ych stran a element˚u.

Metody tˇr´ıdy lze rozdˇelit podle jejich pouˇzit´ı do nˇekolika skupin:

• Metody urˇcené pro ˇcten´ı promˇenných. Slouˇz´ı k z´ıskán´ı pˇr´ıstup˚u k pro- mˇenným. U nˇekterých (jde pˇredevˇs´ım o nastavené ukazatele na ostatn´ı tˇr´ıdy) je provádˇena kontrola, zda daný prvek m˚uˇze existovat, jelikoˇz je uloˇzen v dynamicky alokovaných pol´ıch.

• Metody urˇcen´e k naˇcten´ı dat ze souboru.

• Metody urˇcené k vytváˇren´ı sousednosti. Jde sp´ıˇse o pomocné metody, jelikoˇz o hledán´ı sousednosti se stará tˇr´ıda CMesh, která má lepˇs´ı pˇr´ıstup k ostatn´ım tˇr´ıdám.

• Metody urˇcené k nastaven´ı vnitˇrn´ıch promˇenných. U promˇenných, které jsou dynamicky alokované je provádˇena kontrola, jestli je nová hodnota vkládána do existuj´ıc´ı pozice. Tyto metody se pˇredevˇs´ım pouˇz´ıvaj´ı pˇri vytváˇren´ı sousednosti a tvorbˇe topologie.

5.2.14 CMatrix

Tato tˇr´ıda slouˇz´ı k uchován´ı globáln´ı matice systému, jej´ı pravé strany a jej´ıho ˇreˇsen´ı. Promˇenné této tˇr´ıdy jsou pˇredávané ˇreˇsiˇci soustavy lineárn´ıch rovnic.

Matice soustavy je ukládána v komprimované formˇe nazývané CRS. K uloˇzen´ı je potˇreba tˇr´ı pol´ı. Prvn´ı dvˇe maj´ı tolik ˇclen˚u, kolik je v matici nenulových prvk˚u. Tˇret´ı pole má n + 1 hodnot, kde n je poˇcet ˇrádk˚u. Prvn´ı pole slouˇz´ı k uloˇzen´ı hodnot, Druhé k uloˇzen´ı index˚u sloupc˚u ve kterých se vyskytuj´ı nenulové prvky. Tˇret´ı pole udává zaˇcátek nového ˇrádk˚u.

Metody tˇr´ıdy lze rozdˇelit do tˇr´ı skupin podle ˇcinnosti kterou vykon´avaj´ı:

1. Metody pˇr´ıstupu k promˇenn´ym. Jde jak o nastaven´ı dan´ych hodnot, tak i o jejich ˇcten´ı.

(38)

2. Metody k pˇrevodu pro konkrétn´ı ˇreˇsiˇc. Slouˇz´ı k pˇrevodu do tvaru, který je vyˇzadován konkrétn´ım ˇreˇsiˇcem pouˇzitým k výpoˇctu ˇreˇsen´ı.

3. Metody ˇcten´ı výsledk˚u z ˇreˇsiˇce. Pomoc´ı tˇechto metod jsou výstupn´ı data z ˇreˇsiˇce lineárn´ı soustavy pˇrevedena do vnitˇrn´ıch promˇenných této tˇr´ıdy.

5.2.15 CError

Tato tˇr´ıda slouˇz´ı k uchován´ı identifikaˇcn´ıho ˇc´ısla chyby, textové zprávy a urˇcen´ı, zda se jedná o programátorskou chybu ˇci uˇzivatelskou. Pole tˇechto tˇr´ıd je jednou z promˇenných následuj´ıc´ı tˇr´ıdy a je deklarováno pˇr´ımo ve zdrojovém kódu.

Na rozd´ıl od ostatn´ıch tˇr´ıd jsou promˇenné této tˇr´ıdy veˇrejné a tato tˇr´ıda nemá ˇzádné metody k obsluze tˇechto dat.

5.2.16 CSystem

Tato tˇr´ıda neodpov´ıdá ˇzádné datové struktuˇre v p˚uvodn´ım programu a na rozd´ıl od vˇsech ostatn´ıch tˇr´ıd je deklarována ˇcistˇe staticky. To umoˇzˇnuje pouˇz´ıt jejich metod bez nutnosti vytváˇret instanci tˇr´ıdy. Pˇr´ıstup k jednotlivým metodám se pak dˇeje pomoc´ı vypsán´ı celého jména, dvojic´ı dvojteˇcek a ná- slednˇe jména metody. Ukázka je uvedena ve výpisu (7).

Obr´azek 7: Pouˇzit´ı statick´e metody

CSystem::jmeno_metody(argument1, ...)

Tˇr´ıda CSystem byla vytvoˇrena jako rozhran´ı mezi programem a okol´ım.

Stará se o otev´ırán´ı, zav´ırán´ı, ˇcten´ı a zápis do souboru, výpis zpráv a v ne- posledn´ı ˇradˇe i o ukonˇcen´ı programu v pˇr´ıpadˇe výskytu chyby.

Nyn´ı se bl´ıˇze pod´ıv´ame na jednotliv´e metody:

(39)

print usage() Slouˇz´ı k vypsán´ı návodu na pouˇz´ıván´ı. Tato funkce je volána v pˇr´ıpadˇe, ˇze nebyly rozpoznány argumenty zadané pomoc´ı pˇr´ıkazové ˇrádky. Po vypsán´ı návodu program ˇceká na potvrzen´ı a pak se ukonˇc´ı.

print info() Slouˇz´ı k výpisu dat obsaˇzených v této tˇr´ıdˇe. Tato data byla p˚uvodnˇe ve struktuˇre Problem, avˇsak vzhledem k jejich pouˇzit´ı byly pˇriˇrazeny k této tˇr´ıdˇe. Jde pˇredevˇs´ım o jméno LOG-souboru a ˇc´ısla záchytných bod˚u (argumenty metody checkpoint, viz. n´ıˇze), které se maj´ı vypisovat.

Tato metoda je volána pˇri výpisu dat tˇr´ıdy CProblem, jelikoˇz data byla p˚uvodnˇe obsaˇzena ve struktuˇre, ze které byla odvozena.

checkpoint(int) Tato metoda slouˇz´ı pro lad´ıc´ı úˇcely. V programu je volána z r˚uzných m´ıst s jiným argumentem. Porovnán´ım hodnoty zadaného argumentu s údaji z´ıskanými z inicializaˇcn´ıho souboru se zjist´ı, jestli se má provést výpis vnitˇrn´ıch datových struktur. Pokud daná hodnota záchytných bod˚u nebyla uvedena v INI-souboru, nic se neprovede a program pokraˇcuje jakoby tato metoda nic nedˇelala.

Pˇri zjiˇstˇen´ı shodnosti se spust´ı výpis vˇsech vnitˇrn´ıch datových veliˇcin do souboru. Kaˇzdé datové skupinˇe (elementy, stˇeny, . . . ) náleˇz´ı jeden soubor, jehoˇz jméno je generováno automaticky a skládá se z ˇc´ısla záchytného bodu, celkového ˇc´ısla po kolikáté je výpis provádˇen a zkratky z názvu datové tˇr´ıdy, jej´ıˇz seznam je vypisován do daného souboru.

fopen( char *,int ) Metoda urˇcena ke zpˇr´ıstupnˇen´ı soubor˚u pro ˇcten´ı nebo z´apis.

Pˇr´ıstup k soubor˚um je ˇreˇsen pomoc´ı proud˚u. Jde o tˇr´ıdy definované mimo tento program (v knihovnˇe iostream ˇci fstream). Proud je chápán jako posloupnost bajt˚u. C´ılem proud˚u je zapouzdˇren´ı pˇreveden´ı dat z disku a klávesnice na obrazovku nebo na disk. V tomto programu jsou pro pˇr´ıstup k soubor˚um pouˇz´ıvány dvˇe tˇr´ıdy:

(40)

• ofstream pro z´apis do souboru

Metoda fopen pˇrij´ımá dva argumenty. Prvn´ım je cesta k souboru a dru- hým typ otv´ıraného souboru. Soubor lze otevˇr´ıt pro:

1. ˇcten´ı - ukazatel urˇcuj´ıc´ı pozici v souboru je nastaven na zaˇc´atek souboru.

2. zápis - pokud soubor jiˇz existuje je jeho obsah vymazán. Pokud neexistuje je vytvoˇren. Vˇzdy je ukazatel na pozici v souboru nastaven na zaˇcátek souboru.

3. pˇridáván´ı - obsah souboru je zachován a ukazatel je um´ıstˇen na konec souboru.

Pˇrestoˇze by bylo moˇzné realizovat ˇcten´ı a zápis do souboru souˇcasnˇe (existuj´ı instance tˇr´ıdy ifstream i ofstream) nen´ı tato moˇznost v programu nikde vyuˇzita a proto nebyla realizována.

fclose() Metoda slouˇz´ıc´ı k uzavˇren´ı naposled otevˇreného souboru. Pokud nen´ı ˇzádný soubor otevˇren vede volán´ı této metody k chybˇe a ukonˇcen´ı programu.

myprintf(int,const char*,...) Metoda urˇcená k výpisu hláˇsen´ı jak na obrazovku tak do LOG-souboru. Metoda m˚uˇze pˇrij´ımat v´ıce argument˚u, minimálnˇe vˇsak dva. Prvn´ı slouˇz´ı k urˇcen´ı priority sdˇelen´ı. Priorita m˚uˇze nabývat hodnot od jedniˇcky do ˇsestky. Pˇri vypisován´ı zpráv se zadaná hodnota porovná s hodnotou z´ıskanou z INI-souboru. Pokud je hodnota zprávy menˇs´ı zpráva je vypsána. Porovnán´ı se provád´ı jak pro výpis na obrazovku tak pro výpis do souboru.

Druhým argumentem je text zprávy. Text m˚uˇze obsahovat formátovac´ı znaky umoˇzˇnuj´ıc´ı vloˇzen´ı hodnoty. Pokud jsou formátovac´ı znaky obsahem zprávy, je nutné jako dalˇs´ı argumenty pˇridat poˇzadované hodnoty.

printf(const char*,...) Slouˇz´ı k z´apisu dat do souboru. Pro pouˇzit´ı t´eto

(41)

moc´ı výˇse zm´ınˇené metody fopen), jinak volán´ı zp˚usob´ı chybu a ukonˇc´ı program. Metoda m˚uˇze jako pˇredchoz´ı pˇrij´ımat v´ıce argument˚u. Prvn´ı je ukazatel na text zprávy. Poˇcet ostatn´ıch je závislý na tvaru textu, konkrétnˇe jestli jsou v textu pouˇzity formátovac´ı znaky vyˇzaduj´ıc´ı ukazatele na odpov´ıdaj´ıc´ı hodnoty, které budou pˇrevedeny v text a vloˇzeny m´ısto formátovac´ıch znak˚u.

fgets( char *s, int n) Slouˇz´ı k naˇcten´ı jednoho ˇrádku z jiˇz otevˇreného souboru. Metoda pˇrij´ımá dva argumenty. Prvn´ı je ukazatel na pole, kam se uloˇz´ı naˇctený text. Druhý pak udává maximáln´ı velikost pole.

use system(char*) Metoda slouˇz´ıc´ı ke spouˇstˇen´ı extern´ıch ˇreˇsiˇc˚u pomoc´ı pˇr´ıkazové ˇrádky. Argumentem metody je textový ˇretˇezec, který je pˇredán pˇr´ıkazové ˇrádce.

terminate(char*,int,int,...) Metoda urˇcená k pˇreruˇsen´ı vykonáván´ı ˇcin- nosti programu. Nejˇcastˇejˇs´ım d˚uvodem je zjiˇstˇen´ı chybového stavu.

Pˇredávané argumenty jsou textový ˇretˇezec, ve kterém je oˇcekáván název souboru, odkud je daná metoda volána, ˇrádek na kterém je volán´ı metody uvedeno a posledn´ı povinný argument udává, o jakou chybu se konkrétnˇe jedná. Podle zadaného ˇc´ısla se procház´ı pole instanc´ı CError a pˇri shodˇe zadaného ˇc´ısla a identifikaˇcn´ıho ˇc´ısla chyby je vypsána daná chyba. Ostatn´ı argumenty jsou závislé na konkrétn´ım typu chyby.

Výpis je provádˇen jak na obrazovku tak do LOG-souboru pokud jiˇz byl zadán jeho název. Po vypsán´ı chyby se program ukonˇc´ı.

generován´ı souboru Na konec se zmiˇnme o skupinˇe metod slouˇz´ıc´ı k vy- generován´ı ˇr´ıd´ıc´ıho souboru pro výpoˇcet, který je pˇredán extern´ımu ˇreˇsiˇci. Sem patˇr´ı metody:

1. write rid ghp gi8 2. write rid ghp si2 3. write gm6 in

(42)

4. write m file

Kromˇe výˇse uvedených metod jsou v této tˇr´ıdˇe definovány dalˇs´ı, které slouˇz´ı k jednoduchému nastaven´ı datových poloˇzek.

(43)

6 Testov´ an´ı ˇ cinnosti programu

V této kapitole se budeme vˇenovat srovnán´ı novˇe vytvoˇreného programu a jeho pˇredlohy.

Pro testován´ı funkˇcnosti byly zvoleny dva testovac´ı modely, které jsou souˇcást´ı pˇriloˇzeného CD. V prvn´ım pˇr´ıpadˇe se jedná o dvojrozmˇernou s´ıt’

zn´azornˇenou na obr´azku (8). Tato s´ıt’ obsahuje 677 element˚u a 300 vrchol˚u.

Propojen´ı element˚u s odliˇsnou dimenz´ı je konformn´ı. 1D elementy maj´ı de- setkrát vˇetˇs´ı hydraulickou vodivost neˇz 2D elementy. Na horn´ım a spodn´ım okraji je zadána homogenn´ı Neumanova podm´ınka. Na boˇcn´ıch stˇenách je zadána Dirichetova podm´ınka, pˇriˇcemˇz na pravé stranˇe je tlaková výˇska vˇetˇs´ı.

Obr´azek 8: Testovac´ı s´ıt’ pro dvojrozmˇern´y model

Pro druhý model byla zvolena trojrozmˇerná s´ıt’ znázornˇená na obrázku (9).

Tato s´ıt’ obsahuje 1 444 element˚u a 322 vrchol˚u. Propojen´ı element˚u s odliˇsnou dimenz´ı je konformn´ı. Hydraulická vodivost 1D element˚u je de- setkrát vˇetˇs´ı neˇz 2D element˚u, které j´ı maj´ı vˇetˇs´ı neˇz 3D elementy. Okrajová podm´ınka je na obrázku (11).

Pro oba modely byly vyzkouˇseny vˇsechny reˇzimy ˇcinnosti programu a po- rovnány jejich výsledky. Srovnán´ı probˇehlo pomoc´ı programu GMSH, kde bylo srovnán´ı provedeno graficky. Výsledky pro dvojrozmˇerný pˇr´ıpad jsou na

(44)

Obrázek 9: Testovac´ı s´ıt’ pro trojrozmˇerný model obrázc´ıch (13) a (12).

Pro lepˇs´ı názornost je u tˇr´ırozmˇerného modelu znázornˇena jen velikost toku (obrázky (15) a (14) ).

Druhé srovnán´ı probˇehlo pomoc´ı porovnán´ı obsahu souboru. Pˇri tomto porovnán´ı je se zjistily rozd´ıly. Ve vˇetˇsinˇe pˇr´ıpadech ˇslo o jinak zaokrouhlenou posledn´ı ˇc´ıslici.

Obrázek 10: Znázornˇen´ı rozd´ıl˚u mezi výsledky

1: VP (0.5 , 0.5 , 0.300000000001 ) {0 , 0 , 0.000591382210608 };

2:

3: VP (0.5 , 0.5 , 0.300000000001 ) {0 , 0 , 0.000591382210609 };

Ve výpisu (10) je znázornˇen myˇslený rozd´ıl. Jde o ˇrádky z vypoˇctených POS souboru pro trojrozmˇerný model (konkrétnˇe jde o ˇrádek 2 897 ). Na

(45)

Obr´azek 11: Testovac´ı s´ıt’ pro trojrozmˇern´y model

6.1 Testov´ an´ı doby v´ ypoˇ ctu

Kromˇe porovnán´ı výstup˚u probˇehlo i srovnán´ı z hlediska ˇcas˚u výpoˇctu, kde si vˇsak nový program vedl h˚uˇre. Pˇri dvacetinásobném spouˇstˇen´ı výpoˇctu v cyklu, který byl realizován pomocným programem, byl namˇeˇren ˇcas jednoho výpoˇctu ˇctyˇri a p˚ul vteˇriny pro p˚uvodn´ı program a pˇet vteˇrin pro program nový. Test byl proveden na dvojrozmˇerném modelu. Pˇri výpoˇctech byl pouˇzit procesor Core 2 duo na 2.33Ghz.

(46)

Obrázek 12: Výsledek výpoˇctu pro p˚uvodn´ı program 2D modelu

Obrázek 13: Výsledek výpoˇctu pro nový program 2D modelu

(47)

Obrázek 14: Výsledek výpoˇctu pro p˚uvodn´ı program 3D modelu

Obrázek 15: Výsledek výpoˇctu pro nový program 3D modelu

(48)

7 Z´ avˇ er

Na závˇer shrˇnme výsledky práce a nejpodstatnˇejˇs´ı rozd´ıly mezi novým a p˚u- vodn´ım programem do nˇekolika bod˚u:

• Nov´y program je ps´an objektovˇe.

• Lineárn´ı obousmˇerný seznam je implementován do parametrické tˇr´ıdy.

T´ım doˇslo k oddˇelen´ı zp˚usobu ukládán´ı dat od dat samotných.

• K soubor˚um se pˇristupuje pomoc´ı proud˚u.

Pˇri pˇrekladu zdrojových kód˚u obou program˚u (nového i p˚uvodn´ıho), nebyla nalezena správná knihovna pro pˇripojen´ı intern´ıho ˇreˇsiˇce a pro vˇetˇsinu extern´ıch ˇreˇsiˇc˚u nepracoval správnˇe ani p˚uvodn´ı program. V uvedené verzi pracuje program pouze s extern´ım ˇreˇsiˇcem Matlab.

Pˇreveden´ım na objektovˇe orientovaný program nen´ı vývoj ukonˇcen. Dále je moˇzné se zamˇeˇrit:

• Na odstranˇen´ı probl´emu s ˇreˇsiˇci, pˇredevˇs´ım pak s pˇripojen´ım intern´ıho ˇreˇsiˇce nalezen´ım vhodn´e knihovny nebo zmˇenou pˇrekladaˇce.

• Prohlouben´ı objektového pˇr´ıstupu vytvoˇren´ı bázové tˇr´ıdy obsahuj´ıc´ı opakuj´ıc´ı se metody (napˇr. práce s identifikaˇcn´ım ˇc´ıslem ).

• Aplikovat dˇediˇcnost a polymorfismus na tˇr´ıdy, u kterých mohou jed- notlivé instance pˇredstavovat objekty r˚uzných dimenz´ı.

(49)

Reference

[1] Jesse Liberty Nauˇcte se C++ za 21 dn´ı ;Computer Press, Praha, 2002 [2] Maryˇska J., Sever´yn O., Tauchman M., Tondr D.: Modelling of pro-

cesses in fractured rock using FEM/FVM on multidimensional domains.

Journal of Computational and Applied Mathematics, 215/2, 2008, pp.

495-502. ISSN: 0377-0427

[3] C. Geuzaine, J.-F. Remacle, Gmsh Reference Manual, 2008.

[4] Otto Sever´y flow123D hp.pdf

[5] ˇSembera J., Maryˇska J., Královcová J., Severýn O.: A novel approach to modelling of flow in fractured porous medium, Kybernetika, Vol. 43/4, pp. 577-588, 2007. ISSN 0023-5954