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,clpjoy,第一部分OpenFOAM的简介,OpenFOAM（OpenSourceFieldOperationandManipulation）,第一部分OpenFOAM简介,其官方网站为,”库”（library）随便取，来组建我们需要的算例,C+语言编写,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,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,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？,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,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,第二部分OpenFOAM的应用,标准求解器solver的应用,（以顶盖驱动流为例）,算例Case的结构：,FoamFileversion2.0;formatascii;classdictionary;objectblockMeshDict;/*/convertToMeters0.1;,网格文件blockMeshDict,文件头,vertices(000)(100)(110)(010)(000.1)(100.1)(110.1)(010.1);,blocks(hex(01234567)(20201)simpleGrading(111);edges();,patches(wallmovingWall(3762)wallfixedWalls(0473)(2651)(1540)emptyfrontAndBack(0321)(4567);,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,FoamFileversion2.0;formatascii;classdictionary;objectcontrolDict;/*/applicationicoFoam;startFromstartTime;startTime0;stopAtendTime;endTime0.5;deltaT0.005;,文件为system/controlDict,典型的controlDict文件如下,writeControltimeStep;writeInterval20;purgeWrite0;writeFormatascii;writePrecision6;uncompressed/compressed;writeCompressionuncompressed;timeFormatgeneral;timePrecision6;/时间文件夹精度runTimeModifiableyes;/在求解过程中是否允许修改以上参数,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）preconditionerDIC;tolerance1e-06;/残差relTol0;/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）preconditionerDILU;/预测器，对角不完全LUtolerance1e-05;/残差relTol0;/迭代容差;,PISO/piso控制参数nCorrectors2;/修正次数nNonOrthogonalCorrectors0;/非正交修正次数pRefCell0;/压力参考cell的indexpRefValue0;/压力参考值,离散格式的选择：文件：system/fvSchemes，典型文件：（省去文件头）,ddtSchemesdefaultEuler;/欧拉离散gradSchemes/梯度离散defaultGausslinear;/高斯方法，线性插值grad(p)Gausslinear;/压力的梯度离散,divSchemes/散度离散defaultnone;/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defaultnone;/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,interpolationSchemes/插值格式defaultlinear;/默认线性插值interpolate(HbyA)linear;/线性插值snGradSchemes/梯度法向分量defaultcorrected;/默认带有非正交修正fluxRequired/是否计算流律defaultno;/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,0目录中压力文件：FoamFileversion2.0;formatascii;classvolScalarField;objectp;/*/dimensions02-20000;internalFielduniform0;,boundaryFieldmovingWalltypezeroGradient;fixedWallstypezeroGradient;frontAndBacktypeempty;/*/,dimensions01-10000;internalFielduniform(000);boundaryFieldmovingWalltypefixedValue;valueuniform(100);fixedWallstypefixedValue;valueuniform(000);frontAndBacktypeempty;,速度文件如下：,transportProperties字典文件：FoamFileversion2.0;formatascii;classdictionary;locationconstant;objecttransportProperties;/*/nunu02-100000.01;,在算例所在的目录下，在运行终端输入：icoFoam,等值线或等值面,第三部分求解器,求解器结构：,Info“ReadingtransportPropertiesn”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,dimensionedScalarnu(transportProperties.lookup(nu);,/创建压力场InfoReadingfieldpnendl;volScalarFieldp(IOobject(p,runTime.timeName(),mesh,IOobject:MUST_READ,IOobject:AUTO_WRITE),mesh);,/提示并创建速度场InfoReadingfieldUnendl;volVectorFieldU(IOobject(U,runTime.timeName(),mesh,IOobject:MUST_READ,IOobject:AUTO_WRITE),mesh);,/创建界面流律#includecreatePhi.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);,intmain(intargc,char*argv)#includesetRootCase.H#includecreateTime.H#includecreateMesh.H#includecreateFields.H#includeinitContinuityErrs.H/*/,icoFoam.C,Info“nStartingtimeloopn”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()nlendl;#include“readPISOControls.H”/读入piso控制参数，写在runTime循环中#includeCourantNo.H“,/构造速度方程fvVectorMatrixUEqn(fvm:ddt(U)+fvm:div(phi,U)-fvm:laplacian(nu,U);,solve(UEqn=-fvc:grad(p);,/-PISOloop-速度修正步for(intcorr=0;corrnCorr;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),/调整边值，以便满足连续性条件adjustPhi(phi,U,p);,/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();,/计算连续性方程误差#includecontinuityErrs.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,/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”nlendl;/大循环结束Info“Endn”endl;return(0);)/主程序结束,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/lnIncludeEXE_LIBS=链接库-lfiniteVolume,Make/options文件：,在运行终端运行wmake，进行编译。,第四部分定制自己的求解器,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，cc)如何在算例中设定C和cd)如何设定C的离散格式e)如何设定C的求解器的收敛标准等,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,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.cdcicoFoam,2.原文件改名将icoFoam.C改名cicoFoam.C删除依赖文件icoFoam.dep,3.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,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！,打开CreateFields.H,修改CreateFields.H,加入浓度方程需要的物性dimensionedScalarc/首先读入浓度扩散系数(transportProperties.lookup(c);,加入浓度场Info“ReadingfieldC”endl;volScalarFieldC/拷贝压力场就可以(IOobject(“C,runTime.timeName(),mesh,IOobject:MUST_READ,IOobject:AUTO_WRITE),mesh);,修改CreateFields.H,修改CreateFields.H也完成了！,修改cicoFoam.C,在cicoFoam.C加入浓度微分方程，在PISO（求解速度压力）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(c,C)扩散项);Ceqn.solve();求解,wmake,3）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！,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,(1)拷贝一个cavity算例到ccavity(2)修改transportProperties字典文件，设定ccdconstant修改transportProperties文件，设定c=0.002m2/scc02-100000.002;,1.在算例中加入新方程的初始和边界条件,(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,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divSchemesdefaultnone;div(phi,U)Gaussupwind;div(phi,C)Gaussupwind;laplacianSchemesdefaultnone;laplacian(nu,U)Gausslinearcorrected;laplacian(c,C)Gausslinearcorrected;laplacian(1|A(U),p)Gausslinearcorrected;,在fvSolution中设置代数求解器选项CPBiCGpreconditionerDILU;tolerance1e-06;relTol0;,3运行cicoFoam.ccavity,第五部分新边界条件的创建,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？,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.