OpenFOAM使用手册(中文翻译版).doc

引言 这是开源场运算和操作 c+库类（openfoam）的使用指南。他详细描述了OpenFOAM的基本操作。首先通过第二章一系列教程练习。然后通过对更多的独立组件的更详细的描述学习openfoam。 Of 首先主要是一个c+库类，主要用于创建可执行文件，比如应用程序（application）。应用程序分成两类：求解器，都是为了解决特定的连续介质力学问题而设计的；公用工程，这些是为了执行包括数据操作等任务而设计的。Of 包括了数量众多的solver和utilities，牵涉的问题也比较广泛。将在第三章进行详尽的描述。 Of 的一个强项是用户可以通过必要的预备知识(包括数学，物理和编程技术)创建新的solvers 和utilities。 Of 需要前处理和后处理环境。前处理、后处理接口就是of本身的实用程序（utilities），以此确保协调的数据传输环境。图1.1是of总体的结构。第4章和第五章描述了前处理和运行of 的案例。既包括用of提供的mesh generator划分网格也包括第三方软件生成的网格数据转换。第六章介绍后处理。 Chapter 2指导手册 在这一章中我们详细描述了安装过程，模拟和后进程处理一些OpenFOAM测试案例，以引导用户运行OpenFOAM的基本程序。 $FOAM_TUTORIALS 目录包含许多案件演示of提供的所有求解器以及许多共用程序的使用，在试图运行教程之前，用户必须首先确保他们已经正确地安装了OpenFOAM。 该教程案件描述 blockMesh预处理工具的使用，paraFoam案例设置和运行OpenFOAM求解器及使用paraFoam进行后处理。使用OpenFOAM支持的第三方后处理软件的用户可以选择：他们要么可以按照教程使用paraFoam，或当需要后处理时参阅第六章的第三方软件使用说明。 OpenFOAM安装目录下的tutorials目录中所有的指导手册都是可复制的。教程根据流动类型分列在不同的目录下，对应子目录根据求解器slover分类。例如，所有icoFoam的案件存储在一个子目录“incompressible / icoFoam”， incompressible表示流动类型为不可压。如果用户希望运行一套例子，建议该用户复制tutorials目录到本地运行目录。他们可以轻松的通过输入下边的命令来复制：mkdir -p $FOAM RUNcp -r $FOAM TUTORIALS $FOAM RUN2.1盖驱动腔流Lid-driven cavity flow 本节将介绍如何进行预处理，运行和后处理一个例子，涉及二维正方形区域内的等温，不可压缩流动。图2.1中几何体的所有边界都是由壁面。在x方向顶层墙体以1米/秒的速度移动，而其他3个墙壁是静止的。最初，流动会假设为层流，将在均匀网格上使用icoFoam求解器来求解层流等温不可压流动。在本教程中，将研究加强网格的划分的效果和网格朝向壁面分级的效果。最终，流动雷诺数增加，必须使用用于恒温不可压缩紊流的pisoFoam求解器.2.1.1前处理 通过编辑实例文件在OpenFOAM中设置实例，用户应选择一个xeditor进行前处理，如emacs，vi，gedit，kate,nedit等。编辑文件可能在OpenFOAM中，因为I / O的目录格式的关键字意思很明确，很容易使没有经验的用户理解。 模拟实例涉及网格，流场，属性，控制参数等数据。如4.1节所述，在OpenFOAM，这些数据是存储在实例目录下的一组文件中，而不是单个实例文件，如许多其他流体力学软件包。实例目录给予适当的描述性名称，例如：该教程中的第一个例子就叫cavity。在编辑实例文件和运行cavity实例前的准备工作中，用户应打开该案例的目录： cd $FOAM RUN/tutorials/incompressible/icoFoam/cavity生成网格 OF经常运行在三维直角坐标系统中，所有的几何形状都是三维的。OF默认求解三维问题，可以通过在某些边界上指定一个special empty边界条件，这些边界垂直于不要求解的第三维，从而来求解二维问题。 cavity腔域是一个在xy平面上边长d= 0.1m的正方形。起初用20*20的均匀网格。块结构见图2.2。网格生成器是OpenFOAM的blockMesh，根据一个输入文档blockMeshDict(在给定实例的constant/polyMesh目录下)中的指定描述生成网格。对该实例输入的blockMeshDict如下所示：11 format ascii;12 class dictionary;13 object blockMeshDict;14 15 / * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /1617 convertToMeters 0.1;1819 vertices20 (21 (0 0 0)22 (1 0 0)23 (1 1 0)24 (0 1 0)25 (0 0 0.1)26 (1 0 0.1)27 (1 1 0.1)28 (0 1 0.1)29 );3031 blocks32 (33 hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (20 20 1) simpleGrading (1 1 1)34 );3536 edges37 (38 );3940 patches41 (42 wall movingWall43 (44 (3 7 6 2)45 )46 wall fixedWalls47 (48 (0 4 7 3)49 (2 6 5 1)50 (1 5 4 0)51 )52 empty frontAndBack53 (54 (0 3 2 1)55 (4 5 6 7)56 )57 );5859 mergePatchPairs60 (61 );6263 / * /头7行是文件头信息，用寬显线表示。接下来是FoamFile子目录中的文件信息，用.大括号界定。注释（来自苏军伟博客）：FoamFile /文件头 version 2.0;/版本号 format ascii; /存储形式二进制或者ascii class volScalarField;/场的类型，体心标量场 object p; /场的名字在手册其他部分： 为清楚起见并节省空间，文件头，包括寬显线及FoamFile子目录，将会在引用实例文件时全部省去。 文件首先指定块顶点坐标，然后通过顶点标号和单元个数定义块（此处仅有一个），最后，它定义边界块。建议用户查阅5.3节了解blockMeshDict文件中输入项的含义。 在blockMeshDict文件上运行blockMesh生成网格。在这个实例目录中，做到这一点，只需在终端输入： blockMesh 终端窗口产生blockMesh运行状态报告。任何blockMeshDict文件的错误都会被blockMesh挑出来，所产生的错误信息直接引导用户到文件中产生问题的所在行。在该阶段不应该有错误。2.1.2 边界和初始条件 完成网格生成，用户可以看看为这个案例设置的初始场文件。案例设置开始时间t = 0 s，所以初始流场数据被设置在cavity目录下面的名字为0的子文件夹里。文件夹0里包括两个文件，p和U。每个压力（p）和速度（U）的初始值和边界条件都必须设置。让我们来检验下文件p：17 dimensions 0 2 -2 0 0 0 0; 18 19 internalField uniform 0; 20 21 boundaryField 22 23 movingWall 24 25 type zeroGradient;26 2728 fixedWalls 29 30 type zeroGradient;31 3233 frontAndBack 34 35 type empty; /空边界条件，说明求解是二维流动，这个在openFOAM是独有的，如果遇到该类边界，该边界不参与方程/离散，也就是什么都不做。36 37 3839/ * / 流场数据文件有3个主要的输入：dimensions：指定流场尺度（单位的指数），这里的运动学压力，即m2s-2（0 2 -2 0 0 0 0 ）（见第4.2.6节获取更多信息）;internalField：其内部文件数据可以是统一的，由单一值确定；不均匀时，流场所有值必须指定(详细信息见 4.2.8节 ）;boundaryField：边界的流场数据，包括边界条件和及所有边界块的数据（详细信息见4.2.8节）。 对于这个腔体例子，边界仅由壁面组成，分为两种边界：（1）fixedWall:固定墙包括侧墙和低墙（2） movingWall :移动墙的顶盖。作为壁面，两者的P文件都是 zeroGradient边界条件，即“压力垂直梯度为零”。frontAndBack代表二维情况下的前后两个块，因此必须设置为empty。 该实例中，正如大多数我们遇到的情况一样，初始场被设置为是均匀的。在这里，压力是运动学上的压力，作为一种不可压缩的情况，其绝对值是不相关，因此为方便起见设置为uniform 0。（为什么跟绝对值不相关？） 用户可用同样的方式检测0 / U文件中的速度场。dimensions为对速度所期望的因次，内部流场初始化为uniform zero ，在这个例子里速度场必须由由3个矢量表示，即均匀的（0 0 0）见第4.2.5节获取更多信息）。 对frontAndBack块，速度边界流场要求相同的边界条件。其他方向都是墙：固定墙需要假定无滑移条件，因此fixedValue 条件其值为统一（0 0 0）。顶面以1米每秒的速度沿x方向移动，因此也需要fixedValue条件，但为统一（1 0 0）值。物理特性 实例的物理属性存储在后缀为.Properties的文件里，放在Dictionaries目录树。对于这个icoFoam例子，唯一必须指定的运动粘度是存储在transportProperties目录中。用户可以检查运动粘度是否正确设置，通过打开transportProperties目录来查看或编辑的入口。运动粘度的关键字是nu，在方程中用同音的希腊字母代表。最初，例子运行时雷诺数为10，其中雷诺数定义为： 式中，d和1U1分别为特征长度和特征速度，为运动粘度。此处d=0.1m，1U1=1m/s,所以Re=10时，=0.01m2 s1 。因此正确的动力粘度文件入口指定为： control 与时间控制、解数据的读取与存储相关的输入数据都是从controlDict目录读入的。读者应看看这个文件；作为实例控制文件，他放在system目录中。 运行的开始/结束时刻及时间步长必须设置。 4.3节详细介绍了OpenFOAM提供的度够灵活的时间控制。在这个教程我们设置开始运行时刻从t=0开始，这意味着of需要从文件夹0读取流场数据，更多案例文件结构信息见4.1小节。因此我们设置startFrom关键词为startTime 并指定关键词startTime 为0。 对于结束时间，我们希望获得流动绕空腔循环（即稳定）时的稳态解。一般而言，层流中，流体通过该区域10次才能达到稳态。在这个例子里，流动没有通过该区域，因为这里没有进口也没有出口。取而代之，设盖子穿过腔体10次为结束时间，即1s；事实上，事后发现0.5s就足够了，因此应采用该值。指定stopAt关键词为endTime，并赋值0.5 现在我们需要设置时间步长，由关键词 deltaT 代表。运行icoFoam时为达到瞬时精确及数值稳定，要求Courant 数小于1。对于一个单元Courant 数定义如下： t是时间步长，|U|是通过单元的速度大小， x是该速度方向上的单元尺寸。流速在穿过区域时是变化的，必须确保任何地方的Co1。因此我们以最糟的状况选择 t的取值：Co的最大值必须与大尺度流速和小的单元尺度联合的效果相一致。这里，这个整个区域的单元尺寸固定，所以Co的最大值发生在紧挨着盖子的地方，这里速度接近1米每秒。单元尺寸为： 因此为了达到全部区域内Co log & cat log 在细网格上绘制向量 用户可以在ParaView中同时打开多个案例，这是由于本质上每个新的案例就是Pipeline Browser 中一个新的模块。当在ParaView中打开一个新的案例时有一个次要的不便，因为有一个前提，所选数据是一个带有扩展名的文件。但是在OpenFOAM中，每个案例存储在指定目录结构的大批没有扩展名的文件中，paraFoam程序自动运行的结果，就是产生一个带有扩展名 .OpenFOAM 的空白文件，因此，cavity案例模块称为cavity.OpenFOAM。 然而，如果用户希望在ParaView中直接打开另一个案例，就需要创建这样一个空白文件。例如，为加载cavityFine 案例，通过输入下列命令来创建该文件: cd $FOAM RUN/tutorials/incompressible/icoFoam touch cavityFine/cavityFine.OpenFOAM 现在通过在File菜单选择Open，并且通过浏览目录选择cavityFine.OpenFOAM ，cavityFine 案例可以加载到ParaView中。用户现在可以在ParaView中由细网格绘制向量图。通过同时使两个案例的glyph激活，图像可以与cavity案例相比较。 绘制图像用户也许希望通过抽取一些速度标量及沿着穿过区域的轴线绘制2维图像来使结果具体化。 OpenFOAM 对这种数据处理很在行。有无数的应用程序可以做专门的数据处理，一些简单的计算包括在一个单个的应用程序foamCalc 中。作为一个应用程序，它是独特的，因为它是这样的： foamCalc 在中指定计算器操作；在输出时，采用下列操作：addSubtract; randomise; div; components; mag; magGrad; magSqr; interpolate 。用户可以通过故意调用一个不存在的操作来获得 列表，所以foamCalc 产生一个错误信息并且列出可用的类型，例如： foamCalc xxxx Selecting calcType xxxx unknown calcType type xxxx, constructor not in hash table Valid calcType selections are: 8 ( randomise magSqr magGrad addSubtract div mag interpolate components ) components 及 mag calcTypes 提供有用的速度标量。当在案例如cavity上运行“foamCalc components U ”时，它从每个时间文件中读取速度矢量场，在相应的时间文件中，输出标量场Ux，Uy，Uz分别代表速度的x,y,z分量。类似的，“foamCalc mag mag U” 输出一个标量场magU 到每个时间文件中，代表速度的量级。 用户可以在 cavity及 cavityFine 案例上用components calcType 运行foamCalc 。例如，对于cavity案例，用户应该进入cavity目录并执行foamCalc如下： cd /home/ying/RUN/tutorials/incompressible/icoFoam/cavity foamCalc components U 单独的分量可以在ParaView 中绘制成图。这是很快速的，方便的，并且在标志及格式上有合理的好的控制，所以打印的输出是相当好的标准品。但是为发表图像，用户也许偏好输出未加工的数据，然后用专门的图像工具来绘制，比如gnuplot 或 Grace/xmgr 。为此，我们推荐使用sample应用程序，见6.5节和2.2.3节。 在开始绘制之前，用户需要加载新产生的Ux, Uy 及 Uz 场到ParaView 中。为此，在所工作的基本模块例如cavity.OpenFOAM 中，需要检查Properties 面板顶部的Update GUI 按钮。点击应用使新的场加载到ParaView 中，将出现在Vol Field Status 窗口。确保已选择新的场且改变得到应用，也就是说如果需要再次点击Apply。同样，如果在 Region Status 面板上选择了boundary regions ，边界上的数据插入错误。因此用户应该取消Region Status 面板中的边界，也就是说movingWall, fixedWall 及frontAndBack ，然后应用这些改变。 现在为了在 ParaView 中显示图像，用户应该选择所感兴趣的模块，例如cavity.OpenFOAM ，从Filter-Data Analysis 菜单应用Plot Over Line 。这在已存在的3DView窗口旁边打开了一个新的XY Plot窗口，创建了一个ProbeLine 模块，在其中用户可以指定Properties面板中线条的终点。在这个例子中，用户应该使线条在区域中心垂直向上 ，也就是说，在Point1 和 Point2 文本框中，从(0.05, 0, 0.005) 到(0.05, 0.1, 0.005) ，设置Resolution 为100. 点击应用，在XYPlot窗口出现图像，在Display面板，选择2.1.6 网格分级在 cavityGrade /constant/polyMesh /blockMeshDict 文件中，制定了分级等级，blockMesh根据blockMeshDict 文件划分网格。convertToMeters 0.1; vertices ( (0 0 0) (0.5 0 0) (1 0 0) (0 0.5 0) (0.5 0.5 0) (1 0.5 0) (0 1 0) (0.5 1 0) (1 1 0) (0 0 0.1) (0.5 0 0.1) (1 0 0.1) (0 0.5 0.1) (0.5 0.5 0.1) (1 0.5 0.1) (0 1 0.1) (0.5 1 0.1) (1 1 0.1) ); blocks ( hex (0 1 4 3 9 10 13 12) (10 10 1) simpleGrading (2 2 1) hex (1 2 5 4 10 11 14 13) (10 10 1) simpleGrading (0.5 2 1) hex (3 4 7 6 12 13 16 15) (10 10 1) simpleGrading (2 0.5 1) hex (4 5 8 7 13 14 17 16) (10 10 1) simpleGrading (0.5 0.5 1) ); edges ( ); patches ( wall movingWall ( (6 15 16 7) (7 16 17 8) ) wall fixedWalls ( (3 12 15 6) (0 9 12 3) (0 1 10 9) (1 2 11 10) (2 5 14 11) (5 8 17 14) ) empty frontAndBack ( (0 3 4 1) (1 4 5 2) (3 6 7 4) (4 7 8 5) (9 10 13 12) (10 11 14 13) (12 13 16 15) (13 14 17 16) ) ); mergePatchPairs ( ); / * /在终端执行：cd /home/ying/RUN/tutorials/incompressible/icoFoam/cavityGrade blockMesh paraFoam 所形成的网格为靠近上下左右壁面处密集，中间稀疏，如右图所示： 改变时间及时间步长 靠近顶盖的速度最大，单元最小，则最大的Co数产生于顶盖附近，见节所述，因此很有必要估计顶盖附近的单元尺寸，以便计算合适的时间步。 当使用非均匀网格梯度，blockMesh通过等比级数计算单元尺寸。沿着长度为l，有n个单元，最后一个单元与第一个单元之间的比例为R，最小单元的尺寸 xs 为： （2.5）r为相邻单元尺寸之比： 对cavityGrade案例，在每个块中沿各个方向的单元数为10，最大最小单元比为2，块高宽为0.05m，因此最小的单元长度为3.45mm(l=0.05m,r=21/9=1.08,a=R=2),从公式2.2可知，为使Co1，则时间步3.45ms，为确保结果在合适的时间间隔输出 ，时间步deltaT 减小为2.5ms，设置writeInterval =40，所以每0.1s输出一次，这些设置见 cavityGrade/system/controlDict 文件。 startTime 设为cavityFine 案例的结束时间，也就是0.7，由于cavity和cavityFine 在所指示的运行时间内收敛较好，可以设置 cavityGrade的运行时间为0.1s，也就是endTime 为.6.3 映射流场 如节，使用mapFields 将cavityFine 的最终结果映射到cavityGrade网格上，进入cavityGrade目录并执行mapFields ： cd /home/ying/RUN/tutorials/incompressible/icoFoam/cavityGrade mapFields ./cavityFine -consistent 现在从案例目录运行icoFoam，并且监视时间信息。查看该案例的收敛结果并通过后处理工具与其他结果作对比，见节及