MOOSE框架中时间步失败后后处理器恢复机制探讨

背景介绍

在MOOSE多物理场仿真框架中，时间步进算法是数值模拟的核心组成部分。当某个时间步的计算失败时（例如非线性迭代不收敛或子应用求解失败），框架需要能够回退并重新尝试该时间步的计算。这一机制对于保证模拟的鲁棒性至关重要。

问题描述

在时间步失败并重试的场景中，后处理器(Postprocessor)的状态管理存在一个潜在问题。具体表现为：

1. 某些对象可能间接依赖于旧的后处理器值。例如，在timestep_begin阶段执行的对象可能依赖于在timestep_end阶段执行的后处理器。

2. 当时间步失败并重试时，后处理器的值可能已经更新，导致后续计算使用的值与首次尝试时不同。

3. 这种不一致性会导致计算结果与预期不符，影响模拟的准确性。

技术分析

典型场景示例

考虑以下典型场景：

• 后处理器A在nonlinear阶段执行，记录当前时间
• 后处理器B在timestep_begin阶段执行，读取后处理器A的值（相当于时间滞后）

正常情况下，后处理器B会获得上一个时间步的后处理器A值。但当时间步失败并重试时，后处理器B可能获得不正确的中间值。

现有机制缺陷

当前MOOSE框架中：

• 变量解可以通过FEProblemBase::restoreSolutions恢复
• 但后处理器状态未被纳入恢复机制
• 这导致时间步重试时计算状态不一致

解决方案设计

方案一：后处理器状态恢复

1. 在时间步失败时恢复后处理器值
2. 需要存储旧的后处理器值（内存开销较小）
3. 可扩展至变量后处理器(VPP)和报告器(Reporter)

方案二：完整状态恢复

1. 存储所有可重启数据(RestartableData)
2. 类似于子应用的处理方式
3. 内存开销较大但更全面

实现考量

技术权衡

1. 内存开销：方案一更轻量，方案二更全面但代价高
2. 实现复杂度：方案一更易实现且针对性强
3. 适用范围：方案二可解决更广泛的问题

实际应用影响

1. 热工水力模块(THM)的控制逻辑特别依赖这种时序关系
2. 其他模块也可能存在类似隐式依赖
3. 恢复机制可提高框架整体鲁棒性

结论与建议

对于MOOSE框架的时间步失败处理机制，建议优先实现后处理器状态恢复功能。这种方案：

1. 针对性地解决了最常见的问题场景
2. 内存开销在可接受范围内
3. 实现相对简单且效果显著

同时，对于有特殊需求的模块（如热工水力），可以暂时通过调整执行顺序来规避问题，但长期来看，框架层面的解决方案更为可靠和通用。