OpenFOAM顶盖驱动流详解!使用手册(中文翻译版)

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meshgenerator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。Chapter2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。$FOAM_TUTORIALS目录包含许多案件演示of提供的所有求解器以及许多共用程序的使用，在试图运行教程之前，用户必须首先确保他们已经正确地安装了OpenFOAM。该教程案件描述blockMesh预处理工具的使用，paraFoam案例设置和运行OpenFOAM求解器及使用paraFoam进行后处理。使用OpenFOAM支持的第三方后处理软件的用户可以选择：他们要么可以按照教程使用paraFoam，或当需要后处理时参阅第六章的第三方软件使用说明。OpenFOAM安装目录下的tutorials目录中所有的指导手册都是可复制的。教程根据流动类型分列在不同的目录下，对应子目录根据求解器slover分类。例如，所有icoFoam的案件存储在一个子目录“incompressible/icoFoam”，incompressible表示流动类型为不可压。如果用户希望运行一套例子，建议该用户复制tutorials目录到本地运行目录。他们可以轻松的通过输入下边的命令来复制：mkdir-p$FOAMRUNcp-r$FOAMTUTORIALS$FOAMRUN2.1盖驱动腔流Lid-drivencavityflow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/cavity2.1.1.1生成网格OpenFOAM经常运行在三维直角坐标系统中，生成的都是三维几何结构。OpenFOAM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：11formatascii;12classdictionary;13objectblockMeshDict;14}15//*************************************//1617convertToMeters0.1;1819vertices20(21(000)22(100)23(110)24(010)25(000.1)26(100.1)27(110.1)28(010.1)29);3031blocks32(33hex(01234567)(20201)simpleGrading(111)34);3536edges37(38);3940patches41(42wallmovingWall43(44(3762)45)46wallfixedWalls47(48(0473)49(2651)50(1540)51)52emptyfrontAndBack53(54(0321)55(4567)56)57);5859mergePatchPairs60(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{version2.0;//版本号formatascii;//存储形式二进制或者asciiclassvolScalarField;//场的类型，体心标量场objectp;//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=0s，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：17dimensions[02-20000];1819internalFielduniform0;2021boundaryField22{23movingWall24{25typezeroGradient;26}2728fixedWalls29{30typezeroGradient;31}3233frontAndBack34{35typeempty;//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（02-20000）（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uniform0。（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uniformzero，在这个例子里速度场必须由由3个矢量表示，即均匀的（000）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（000）。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（100）值。2.1.1.3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ν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，ν为运动粘度。此处d=0.1m，1U1=1m/s,所以Re=10时，ν=0.01m2s−1。因此正确的动力粘度文件入口指定为：2.1.1.4control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：δt是时间步长，|U|是通过单元的速度大小，δx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δt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=1，时间步长deltaT的设置必须小于等于：