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冶金工艺与热过程课程论文 Openfoam简介及使用 课程教师：黄军 学号：0862126411OpenfoamOpenfoam的简介及使用方法：openFOAM是一个具有开源代码的CFD模拟软件，运行于LINUX操作系统中（运行于WINDOWS下的LINUX虚拟环境同样可以），目前最新版本为1.3。受GNU Free Documentation License 保护，不过既然是开源软件，自然可以随便传播了，但是对源代码和说明文档的随意篡改是不负责任的，所以没有十足的把握，还是要尊重原始版权吧。openFOAM，open Field Operation and Manipulation，字面意思就是“开放的 域 操作 和 处理”，貌似和CFD没有什么关系，但是它却可以处理很多CFD问题抑或偏微分方程数值解问题。openFOAM是采用面向对象方法（Object-Orientation Method），采用C+语言编写的一个“库”（Library）。个人感觉很像Delphi，软件本身提供了大量的类，用户可以根据自己的需求和喜好进行组织、程序设计。与Delphi不同的是，openFOAM本身并不是一个编译环境，用户需要自己选用第三方软件来进行编译，这样一来，实际上openFOAM只提供了“料”，而与之对比的，Delphi则既提供了“料”，又提供了“锅”。 个人感觉，openFOAM可以像Delphi那样，形成自己的编译环境，这样应该更有利于应用和推广，不过希望不要商业化才好，毕竟大家都喜欢用免费的东西：）openFOAM是个软件，但是其本身又不会运行，这就是为什么我们仅仅称之为库的原因。但我们使用它，自然希望得到可以用的软件（application）。利用openFOAM可以得到两种类型的application：求解器solver和工具utility，前者用来解决数值计算上的问题，而后者用来进行前处理和后处理。至于怎么得到这些application，显然，需要我们用C+编程实现了。我们编程，自然不应该从零开始，因为我们有openFOAM，这是我们进行CFD模拟工作的基石。然而需要注意的是，要想利用openFOAM，就必须适应它的思想，从而在它的框架下去解决问题。这样，首要任务便是了解openFOAM的框架思想，以及它到底提供了哪些丰富而又精彩的内容。Windows下OpenFOAM开发及使用环境配置指南 (2) * 基本环境：操作系统：Windows 7 Ultimate 32 bit Linux环境：Cygwin 1.7 32bit OpenFOAM: 1.6 并行环境:MPICH2配置过程：1. Install Cygwin (国内镜像) (1) 除基本安装外，还需安装以下包：autoconf automake binutils bison byacc diffutils patch doxygen flex gcc-core gcc-g+ git make python readline texinfo wget w3m(2) 其余建议安装包：bzip2 gitk liblzma rxvt vim2. 修改注册表, 使系统区分大小写(1)HKEY_LOCAL_MACHINESYSTEMCurrentControlSetControlSession ManagerkernelObCaseInsensitive 设为0. (2) 重启系统使应用生效.3. 配置Cygwin (1) 启动Cygwin, home/目录将依据当前Windows用户创建. 若用户名存在空格, 则需要在Cygwin根目录下的 /etc/passwd 中将映射名改为无空格的用户名标识, 并重启Cygwin. (2) 在Cygwin Shell中输入 mkdir OpenFOAM echo export TEMP=/tmp /.bashrc echo export TMP=/tmp /.bashrc 以创建OpenFOAM安装目录并使TEMP/TMP变量有效. (3) 在Windows中建立文件夹, 用于mount OpenFOAM及tmp目录: 在/etc/fstab中添加 /home/OpenFOAM ntfs binary,posix=1 0 0 ntfs binary,posix=1 0 0 其中 为OpenFOAM的实际安装目录, 为实际临时目录. patch 命令的运行依赖/tmp目录. - NOTE: 将以上目录设在根目录下比较方便, 且保持命名简洁易记. (4) 重启Cygwin使修改生效. 输入 ln -s /usr/bin/cpp /lib/cpp 以使wmake正确运行.4. 安装OpenFOAM (1)下载OpenFOAM-1.6.General.gtgz, ThirdParty-1.6.General.gtgz解压到安装目录 tar xzf OpenFOAM-1.6.General.gtgz tar xzf ThirdParty-1.6.General.gtgz (2) 下载PatchesNBatches.tar.gz并解压到$HOME/OpenFOAM目录. 在该目录下运行命令 patch -p0 pnb/OpenFOAM-1.6_patch patch -p0 pnb/ThirdParty-1.6_patch (3) 修改脚本, 配置OpenFOAM环境 (3a)在$HOME/.bashrc文件中添加下面一行:source $HOME/OpenFOAM/OpenFOAM-1.6/etc/bashrc-mingw32使OpenFOAM配置随Cygwin启动生效. bashrc-mingw32中需将case $WM_ARCH inLinux)中的Linux)改为*), 以使Cygwin能够假冒Linux. (当然也可以加入Cygwin选项, 但会涉及到一些需要适应OpenFOAM的规则配置, 如wmake rule等, 不建议使用. 这种假冒策略是一个trick, 如果仅是本人在 cygwin 下使用, 这种做法足够, 且可将源码修改降至最低. 至于考虑平台可移植性的通用性设置, 则应该是OpenFOAM发布者该做的事情) (3b)重启Cygwin, 发现有编译器未安装的警示信息, 不用理会, 这是因为OpenFOAM认为编译器是mingw32, 有错误提示是正常的. 我们需要做的检查当前系统是否含有gcc(用gcc -v命令, 我的版本是3.4.4) (3c)运行以下 chmod 命令以使新patch的script文件正确运行 chmod 744 $WM_THIRD_PARTY_DIR/build-mingw32 chmod 744 $WM_THIRD_PARTY_DIR/build-mingw-w32 chmod 744 $WM_THIRD_PARTY_DIR/build-mingw-w64 chmod 744 $WM_THIRD_PARTY_DIR/build-mingw-w64-45 chmod 744 $WM_THIRD_PARTY_DIR/makeGcc44 chmod 744 $WM_THIRD_PARTY_DIR/get-mpich2 chmod 744 $WM_PROJECT_DIR/src/Allcleanchmod744$WM_PROJECT_DIR/applications/utilities/parallelProcessing/Allwmake chmod 744 $WM_PROJECT_DIR/bin/tutowin chmod 744 $WM_PROJECT_DIR/bin/foamDiff chmod 744 $WM_PROJECT_DIR/bin/backupSourceFolder chmod 744 $WM_PROJECT_DIR/bin/backupFullFolder (3d)下载mpich2-1.1.1p1-win-ia32.msi文件, 安装32位 MPICH2 1.1.1p1, 将安装目录下的bin, include和lib文件夹拷贝至ThirdParty-1.6/mpich2-1.1.1p1. (3e)修改bashrc-mingw32:将 WM_GETMPICH2 设为 DONTGETMPICH2重启Cygwin使编译mingw32的环境设置生效. (4) 编译mingw交叉编译器mingw32 (4a)将ThirdParty-1.6/build-mingw32脚本中以下变量对应的文件下载到ThirdParty-1.6/mingwcc/source目录(手动创建).当然也可以下载这些package 的最新版本, 但需注意要同时在脚本中修改相应的名字. BINUTILS_ARCHIVE=binutils-2.19.1-src.tar.gz MINGW_ARCHIVE=mingwrt-3.15.2-mingw32-dev.tar.gz W32API_ARCHIVE=w32api-3.13-mingw32-dev.tar.gz REGEX_ARCHIVE=mingw-libgnurx-2.5.1-bin.tar.gz REGEX2_ARCHIVE=mingw-libgnurx-2.5.1-dev.tar.gz (4b)针对Cygwin环境修改build-mingw32脚本: * BUILD=uname -m-$WM_ARCH-gnu 改为 BUILD=uname -m-pc-cygwin * do_gmp, do_mpfr函数中将-host=$TARGET改为-host=$BUILD * do_mpfr函数中-enable-thread-safe改为-disable-thread-safe (4c)在ThirdParty-1.6目录下输入命令 ./build-mingw32 GCC-4.3.3 运行脚本, 等待命令完成. (约数小时, 期间若有tar错误或者 no file or directory错误, 不用理会.) (5) 配置wmake编译环境. (5a)建立flex+链接: 将 alias flex+=flex -+ 命令加入到 OpenFOAM-1.6/etc/alias.sh中 (5b)修改wmake rules. (我们现在的平台是linux, 编译器是mingw32, 因此要改的是OpenFOAM-1.6/wmake/rules/linuxmingw32文件夹中的内容) * mplibMPICH中-lmpich改为-lmpi, 删除-lrt * general中删除 include $(GENERAL_RULES)/byacc include $(GENERAL_RULES)/btyacc+ 加入 include $(GENERAL_RULES)/version include $(GENERAL_RULES)/bison (5c)修改zlib配置. 将ThirdParty-1.6/zlib/Make目录拷贝至 ThirdParty-1.6/gcc-4.3.3/zlib (5d)重启Cygwin, 使修改生效 (6) 到OpenFOAM-1.6目录, wclean all & ./Allwmake, 完成. * 参考链接： /index.php/Tip_Using_Cygwin_for_cross-compiling_OpenFOAM /index.php/Tip_Cross_Compiling_OpenFOAM_1.6_in_Linux_For_Windows_with_MinGW https:/trac.handbrake.fr/wiki/CygWin .pt/ (blueCAPE) / (OpenFlow) /Unix/GNU/gnu/ /sourceforge/mingw 注意事项： * 表示依赖于用户系统的一些变量, 用户需根据自己的系统配置来设定. * Cygwin只有32位的安装版本, 因此对gmp, mpfr, gcc的编译过程来说, 系统都是i686, 而不是x86_64, 在Cygwin中输入uname -m可确认这点 * 以上配置过程请按顺序进行文件下载：OpenFOAM-1.6.General.gtgz: /foam/OpenFOAM-1.6.General.gtgz?use_mirror=meshThirdParty-1.6.General.gtgz: /foam/ThirdParty-1.6.General.gtgz?use_mirror=meshPatchesNBatches.tar.gz: /images/e/e2/PatchesNBatches.tar.gzmpich2-1.1.1p1-win-ia32.msi: /research/projects/mpich2/downloads/tarballs/1.1.1p1/mpich2-1.1.1p1-win-ia32.msimingw相关文件: /sourceforge/mingw使用OpenFOAM的基本流程任何CFD软件的使用无非通过3个基本步骤： 前处理，CFD计算，后处理。（注：CFD软件是计算流体力学（Computational fluid Dynamics）软件的简称，是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件）（一）、前处理主要包括：网格的生成，物理参数的设定，初始边界条件的设定，求解控制设定，方程求解方法的选择，离散格式的选择。（1）、网格生成： OpenFOAM带有自己的网格生成功能blockMesh,他可以生成块结构化网格，使用比较简单，但对于复杂几何，该功能实施比较复杂。 可以采用其网格软件如：gridgen，pointwise，gambit，icemcfd，tetgen,gmesh,ansys等生成网格，通过网格转换功能将其转换为openfoam可识别的网格。我本人通常采用gridgen生成fluent网格，再采用fluentMeshToFaom功能转换为openfoam可识别网格。（2）、物理参数的设置： OpenFOAM中的物理参数文件都在当前case文件夹里面的constant文件夹中，里面常用的文件通常常有 environmentalProperties：设定环境参数，重力加速度 transportProperties：传输相关参数，比如黏性，密度，对于非牛顿流体的黏性模型及其参数等 LESProperties：大涡模型及其相关的模型参数 RASProperties: 雷诺时均模型及其相关模型参数 thermodynamicProperties：热物理相关参数 这些文件的名字由solver里面定义，可以任意更改，上面书写是openfoam中的一个惯例，至于如何更改，请参看solver说明。（3）、初始边界条件的设定：初始条件和边界条件设定都在case文件夹中的0文件夹中，在Openfoam中，每个求解变量都有自己的单独的求解文件，下面以/OpenFOAM/OpenFOAM-1.5/tutorials/icoFoam/cavity/0/p压力文件为例进行说明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/ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /场的单位，应当注意这里的压强单位并非实际压强，而是压强除去密度(p/rho)的单位/因为openfoam对动量方程直接求解的速度dimensions 0 2 -2 0 0 0 0;/初始条件：内部场为均匀场，所有全为0，如果不均匀场则采用setField或者funkySetField对初始场进行/设置,如何使用这些功能，以后再说明。internalField uniform 0;/边界条件boundaryField movingWall /边界名字 type zeroGradient; /边界条件为第二类边界条件，梯度为0 fixedWallsm /边界名字 type zeroGradient;/边界条件为第二类边界条件，梯度为0 frontAndBack /边界名字 /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。 type empty; （4）、求解控制设定：文件为system/controlDict,典型的controlDict文件如下/文件头FoamFile version 2.0; format ascii; class dictionary; object controlDict;/ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /当前case所用求解器的名字application icoFoam;/程序从什么时候开始执行，startTime开始startFrom startTime;/startTime 设定为0，即从0时刻开始执行startTime 0;/程序什么时候结束，endTime结束stopAt endTime;/程序结束时间endTime 0.5;/当前算例的时间步长deltaT 0.005;/以什么方式写文件，按照时间步长写（也可以为runTime,即按照时间来些）writeControl timeStep;/20个时间步长,20*timeStep写一次；（如果按照时间来写的话为1）writeInterval 20; /写过程是否覆盖，如果0则不覆盖，大于0为覆盖，比如：2，case文件家中只有输出文件 比如6 和 7，/当算到8时候，会覆盖6，9会覆盖8，以此类推purgeWrite 0;/写的格式ascii或者binarywriteFormat ascii;/文件写入精度writePrecision 6;/是否对生成数据进行压缩，压缩的话会战较少空间。uncompressed/compressed;writeCompression uncompressed;/时间文件夹格式：fixed m.ddddd(d的个数取决于下面的timePrecision），scientific ：采用科学计数/法，general：科学计数法指数小于4用指数，大于4用小数timeFormat general;/时间文件夹精度timePrecision 6;/在求解过程中是否允许修改以上参数runTimeModifiable yes;（5）、方程求解方法的选择：文件为system/fvSolution，典型的文件为/文件头FoamFile version 2.0; format ascii; class dictionary; object fvSolution;/ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /solvers /方程求解器 p PCG /压力采用预条件共轭梯度法（主要用于求解对称矩阵） preconditioner DIC; /预测器,对角不完全Cholesky方法 tolerance 1e-06; /参差 relTol 0; /迭代容差 ; U PBiCG /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 ;PISO /piso控制参数 nCorrectors 2;/修正次数 nNonOrthogonalCorrectors 0;/非正交修正次数 pRefCell 0;/压力参考cell的index pRefValue 0;/压力参考值如果对求解器不明白，可以参看相关理论，或者直接找到一个差不多的case进行复制。（6）、离散格式的选择：文件：system/fvSchemes，典型文件/文件头FoamFile version 2.0; format ascii; class dictionary