计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

OpenFOAM的基础篇陈丽萍南京工业大学城建学院暖通研究所计算力学OpenFOAM讲座-基础篇第一部分OpenFOAM的简介计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

OpenFOAM（OpenSourceFieldOperationandManipulation）第一部分OpenFOAM简介其官方网站为”库”（library）C++语言编写计算力学OpenFOAM讲座-基础篇利用OpenFOAM得到可执行的软件（application）求解器solver工具utility数值计算后处理流体流动、化学反应、换热、结构动力学、电磁场、金融评估等建模、网格、边界条件前处理计算结果显示和处理1.OpenFOAM框架计算力学OpenFOAM讲座-基础篇2.OpenFOAM应用分类应用分类(1)直接利用标准求解器(2)自定义求解器(3)自定义离散方法替代商业软件免费喔这类需求较大，商业软件与之不可相比的更高级的应用下面再谈谈分类（2)和（3）的魅力计算力学OpenFOAM讲座-基础篇商业软件中的所谓udf，usersubroutine和这是不可相比的。总之，将OpenFOAM作为类库来构建自己的求解器，这是其它软件无法实现的。

分类（2）自定义求解器的魅力按照自己的求解流程来编写求解器，关注的重点是求解的流程。需要关心离散和求解的最底层的知识吗？计算力学OpenFOAM讲座-基础篇开始初始值用CFD进行室内温度计算辐射传热计算Qri导热计算Qcdi由热平衡求新的对流传热量Qcvim+1收敛条件结束Qcvim赋新值计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

对于研究离散格式、代数求解器用户来说，创建更高效更高精度的离散方法，这需要修改finiteVolume库和OpenFOAM库中对应的代码。分类（3）自定义离散方法的魅力尤其是对流项，尽管OpenFOAM已经提供了基于NVD和TVD的模板和40多种有名的高阶高精度格式，这仍然是不够的，对流项的离散仍然是目前CFD的重点研究方向。高级应用服务未来计算力学OpenFOAM讲座-基础篇第二部分OpenFOAM的应用计算力学OpenFOAM讲座-基础篇标准求解器solver的应用（以顶盖驱动流为例）计算力学OpenFOAM讲座-基础篇算例Case的结构：计算力学OpenFOAM讲座-基础篇FoamFile{version2.0;formatascii;classdictionary;objectblockMeshDict;}//********************//convertToMeters0.1;网格文件blockMeshDict文件头计算力学OpenFOAM讲座-基础篇vertices((000)(100)(110)(010)(000.1)(100.1)(110.1)(010.1));blocks(hex(01234567)(20201)simpleGrading(111));edges();计算力学OpenFOAM讲座-基础篇patches(wallmovingWall((3762))wallfixedWalls((0473)(2651)(1540))emptyfrontAndBack((0321)(4567)));

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇算例所在的目录下，在运行终端窗口输入：

blockMesh进行网格生成。网格生成过程中，如有错误，运行终端窗口将显示。查看网格

在运行终端输入：paraFoam计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇FoamFile

{

version

2.0;

format

ascii;

class

dictionary;

object

controlDict;

}

//******************//applicationicoFoam;

startFrom

startTime;

startTime

0;

stopAt

endTime;

endTime

0.5;

deltaT

0.005;

文件为system/controlDict,典型的controlDict文件如下计算力学OpenFOAM讲座-基础篇writeControl

timeStep;

writeInterval

20;

purgeWrite

0;

writeFormat

ascii;

writePrecision

6;

uncompressed/compressed;

writeCompressionuncompressed;

timeFormat

general;

timePrecision

6;//时间文件夹精度

runTimeModifiableyes;//在求解过程中是否允许修改以上参数计算力学OpenFOAM讲座-基础篇文件为system/fvSolution，典型的文件为：（省去文件头）solvers

//方程求解器

{

pPCG

//压力采用预条件共轭梯度法（主要用于求解对称矩阵）

{

preconditioner

DIC;

tolerance

1e-06;

//残差

relTol

0;

//迭代容差

};

UPBiCG//速度采用预条件双共轭梯度法（主要用于反对称矩阵）

{

preconditioner

DILU;//预测器，对角不完全LU

tolerance

1e-05;//残差

relTol

0;//迭代容差

};

}计算力学OpenFOAM讲座-基础篇PISO

//piso控制参数

{

nCorrectors

2;//修正次数

nNonOrthogonalCorrectors0;//非正交修正次数

pRefCell

0;//压力参考cell的index

pRefValue

0;//压力参考值

}

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇离散格式的选择：

文件：system/fvSchemes，典型文件：（省去文件头）ddtSchemes

{

default

Euler;//欧拉离散

}gradSchemes//梯度离散

{

default

Gausslinear;//高斯方法，线性插值

grad(p)

Gausslinear;//压力的梯度离散

}

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇divSchemes

//散度离散

{

default

none;

//散度的离散（必须指定没有默认值）

div(phi,U)

Gausslinear;//对流项离散，高斯理论，用线性插值

}laplacianSchemes//拉普拉斯项离散

{

default

none;

//拉普拉斯项离散，必须指定

laplacian(nu,U)Gausslinearcorrected;

//扩散项离散采用高斯理论，采用线性插值

laplacian((1|A(U)),p)Gausslinearcorrected;//压力方程离散采用高斯理论，线性插值

}计算力学OpenFOAM讲座-基础篇interpolationSchemes

//插值格式

{

default

linear;

//默认线性插值

interpolate(HbyA)linear;//线性插值

}snGradSchemes//梯度法向分量

{

default

corrected;//默认带有非正交修正

}fluxRequired//是否计算流律

{

default

no;//默认不计算

p;//压力需要计算，因为需要利用压力流律修正速度}计算力学OpenFOAM讲座-基础篇0目录中压力文件：FoamFile{version2.0;formatascii;classvolScalarField;objectp;}//***********************//dimensions[02-20000];internalFielduniform0;计算力学OpenFOAM讲座-基础篇boundaryField{movingWall{typezeroGradient;}fixedWalls{typezeroGradient;}frontAndBack{typeempty;}

}//***********************************//计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

dimensions[01-10000];internalFielduniform(000);boundaryField{movingWall{typefixedValue;valueuniform(100);}fixedWalls{typefixedValue;valueuniform(000);}frontAndBack{typeempty;}}速度文件如下：计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

transportProperties字典文件：FoamFile{version2.0;formatascii;classdictionary;location"constant";objecttransportProperties;}//*********************//nunu[02-10000]0.01;在算例所在的目录下，在运行终端输入：icoFoam

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇计算力学OpenFOAM讲座-基础篇等值线或等值面计算力学OpenFOAM讲座-基础篇第三部分求解器计算力学OpenFOAM讲座-基础篇求解器结构：计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

Info<<“ReadingtransportProperties\n”<<endl;

//声明属性字典类对象。

IOdictionarytransportProperties

(

IOobject

(

“transportProperties”,

runTime.constant(),//位置

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::NO_WRITE

)

);

createFields.H文件

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

dimensionedScalarnu

(

transportProperties.lookup("nu")

);//创建压力场

Info<<"Readingfieldp\n"<<endl;

volScalarFieldp

(

IOobject

(

"p",

runTime.timeName(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::AUTO_WRITE

),

mesh

);计算力学OpenFOAM讲座-基础篇//提示并创建速度场

Info<<"ReadingfieldU\n"<<endl;

volVectorFieldU

(

IOobject

(

"U",

runTime.timeName(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::AUTO_WRITE

),

mesh

);

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇//创建界面流律

#

include"createPhi.H"

//设定压力参考cell的index和参考值

labelpRefCell=0;

scalarpRefValue=0.0;

//通过查询system/fvSolution下的PISO进行更新压力参考cell更新并设定参考值。

setRefCell(p,mesh.solutionDict().subDict("PISO"),pRefCell,pRefValue);

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇intmain(intargc,char*argv[])

{

#

include"setRootCase.H"

#

include"createTime.H"

#

include"createMesh.H"

#

include"createFields.H"

#

include"initContinuityErrs.H"

//**********************************//

icoFoam.C

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

Info<<“\nStartingtimeloop\n”<<endl;

//用runTime控制整个的循环

for(runTime++;!runTime.end();runTime++)

{

//显示运行时间

Info<<“Time=”<<runTime.timeName()<<nl<<endl;

#

include“readPISOControls.H”//读入piso控制参数，写在runTime循环中

#

include"CourantNo.H“

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

//构造速度方程

fvVectorMatrixUEqn

(

fvm::ddt(U)

+fvm::div(phi,U)

-fvm::laplacian(nu,U)

);

solve(UEqn==-fvc::grad(p));计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

//---PISOloop----速度修正步

for(intcorr=0;corr<nCorr;corr++)

{

//求解系数矩阵对角元素的倒数。

volScalarFieldrUA=1.0/UEqn.A();U=rUA*UEqn.H();//更新速度

//流通量修正

phi=(fvc::interpolate(U)&mesh.Sf())+fvc::ddtPhiCorr(rUA,U,phi);

//调整边值，以便满足连续性条件

adjustPhi(phi,U,p);

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇//非正交循环

for(intnonOrth=0;nonOrth<=nNonOrthCorr;nonOrth++)

{

fvScalarMatrixpEqn//求解压力方程

(

fvm::laplacian(rUA,p)==fvc::div(phi)

);

pEqn.setReference(pRefCell,pRefValue);

pEqn.solve();

//根据新求解的压力，更新面流通量

if(nonOrth==nNonOrthCorr)

{

phi-=pEqn.flux();

}

}

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

//计算连续性方程误差

#

include"continuityErrs.H“

U-=rUA*fvc::grad(p);//根据新的压力，修正速度

//修正速度边界(主要针对第二类边界条件）

U.correctBoundaryConditions();

}//PISO循环结束

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇

//输出计算结果

runTime.write();//显示执行时间，CPU时间

Info<<“ExecutionTime=”<<runTime.elapsedCpuTime()<<“s”

<<“

ClockTime=”<<runTime.elapsedClockTime()<<“s”

<<nl<<endl;

}//大循环结束

Info<<“End\n”<<endl;

return(0);

)//主程序结束计算力学OpenFOAM讲座-基础篇icoFoam.C

源程序文件名

EXE=$(FOAM_APPBIN)/icoFoam

可执行文件名

Make/files文件：EXE_INC=

包含的头文件

-I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnInclude

EXE_LIBS=

链接库

-lfiniteVolumeMake/options文件：在运行终端运行wmake，进行编译。计算力学OpenFOAM讲座-基础篇第四部分定制自己的求解器计算力学OpenFOAM讲座-基础篇在icoFoam中加入浓度场需要解决的问题：

a）如何在icoFoam中加入浓度场方程

b)如何创建物性，Γcc)如何在算例中设定C和Γcd)如何设定T的离散格式

e)如何设定T的求解器的收敛标准等

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇步骤：1)初步建立cicoFoam求解器

3）编译cicoFoam求解器2)添加浓度方程修改creatFields.H文件修改cicoFoam.C文件

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇初步建立cicoFoam求解器1.复制目录icoFoam到新的位置，新目录名为cicoFoam.

cdcicoFoam2.原文件改名

将icoFoam.C改名cicoFoam.C

删除依赖文件icoFoam.dep3.

修改编译文件files和options

进入Make目录，打开files文件

将

icoFoam.C

改名cicoFoam.CEXE=$(FOAM_APPBIN)/icoFoam

改为：EXE=$(FOAM_USER_APPBIN)/cicoFoam

可执行文件名

此例中options不需修改计算力学OpenFOAM讲座-基础篇4.删除原来的obj文件5.编译wmake

下面要完成2)添加浓度方程修改creatFields.H文件修改cicoFoam.C文件

初步建立cicoFoam求解器，完成了！！计算力学OpenFOAM讲座-基础篇打开CreateFields.H

修改CreateFields.H

加入浓度方程需要的物性

dimensionedScalarΓc

//首先读入浓度扩散系数

(

transportProperties.lookup("Γc")

);

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇加入浓度场

Info<<"ReadingfieldC"<<endl;

volScalarFieldC

(

IOobject

(

“C",

runTime.timeName(),

mesh,

IOobject::MUST_READ,

IOobject::AUTO_WRITE

),

mesh

);

修改CreateFields.H修改CreateFields.H也完成了！！计算力学OpenFOAM讲座-基础篇修改cicoFoam.C在cicoFoam.C加入浓度微分方程，在PISO循环后面。

fvScalarMatrixCeqn浓度是标量方程

(

fvm::ddt(C)

+fvm::div(phi,C)

要用到界面流量

-fvm::laplacian(Γc,C)

扩散项

);

Ceqn.solve();

求解

wmake3）编译cicoFoam求解器什为什么？修改cicoFoam.C

完成啦！！新求解器就这样建立了！！计算力学OpenFOAM讲座-基础篇如何应用cicoFoam求解器？1.在算例中加入新方程的初始和边界条件2.修改离散格式和代数求解控制文件3.运行计算力学OpenFOAM讲座-基础篇(1)拷贝一个cavity算例到ccavity

(2)修改transportProperties字典文件，设定Γc

cdconstant

修改transportProperties文件，设定Γc=0.002m2/s

Γc

Γc[02-10000]0.002;1.在算例中加入新方程的初始和边界条件计算力学OpenFOAM讲座-基础篇(3)创建浓度C文件，设定初始值和边界

进入0目录拷贝一个p文件，改名为C文件

修改C文件，设定初始值和边界计算力学OpenFOAM讲座-基础篇2修改离散格式和代数求解控制文件

A进入system目录

打开fvSchemes文件，添加

divSchemes

{

default

none;

div(phi,U)

Gaussupwind;

div(phi,C)

Gaussupwind;

}

laplacianSchemes

{

default

none;

laplacian(nu,U)Gausslinearcorrected;

laplacian(Γc,C)Gausslinearcorrected;

laplacian((1|A(U)),p)Gausslinearcorrected;

}计算力学OpenFOAM讲座-基础篇在fvSolution中设置代数求解器选项

CPBiCG

{

preconditioner

DILU;

tolerance

1e-06;

relTol

0;

};

3运行

cicoFoam.ccavity

计算力学OpenFOAM讲座-基础篇第五部分新边界条件的创建计算力学OpenFOAM讲座-基础篇已知新边界条件新边界条件命名为newgrad步骤：1.复制相近的边界，改名为newgrad2.修改.H文件和.C文件3.添加关于新边界的编译文件4.编译怎么创建和应用？？计算力学OpenFOAM讲座-基础篇1.复制相近的边界，改名为newgrad(1)复制

在OpenFOAM-1.X/src/finiteVolume/fields/fvpatchFields/derived中复制totalTemperature文件夹（2）改名

将复制的totalTemperature文件夹改名为newgrad,

文件夹内所以关于totalTemperature的词全部改为newgrad.计算力学OpenFOAM讲座-基础篇2.修改newgradFvPatchScalarField.H(1)修改newgradFvPatchScalarField.H

classnewgradFvPatchScalarField:publicfixedGradientFvPatchScalarField类型修改classtotalTemperatureFvPatchScalarField:publicfixedValueFvPatchScalarField变了！计算力学OpenFOAM讲座-基础篇wor