【OpenFOAM案例】02 自己动手

前言：很多人说OpenFOAM很难，要啃上很多的理论书籍，什么流体力学、计算流体力学、矩阵理论、线性代数、数值计算、C++程序设计神马的，看看光这一堆书就能吓倒绝大多数的人。其实我们并不一定要从这些基础的东西入手，我觉得要学习使用一个工具，首先使它运转起来才是最靠谱的。通过大量实例练习，做多了自然就能有所感悟。

前面讲到了利用icoFoam求解器计算弯曲管道中流体混合问题。现在来自己动手做一个简单的案例，还是利用icoFoam求解器。icoFoam求解器计算的是瞬态不可压层流流动问题，是OpenFOAM中最简单的求解器之一。

关于此求解器内部实现原理，我们以后再慢慢剖析，一开始就讲一大堆的公式推导会吓坏小朋友的。闲话少说，我们来开始我们的案例。

案例描述

一个非常简单的管道流动问题。我们不强调问题多复杂，只关注OpenFOAM解决问题的思路。

流体流经一个直径0.01m，长度0.5m的管道，计算其内部流场。流体介质为水，密度1000kg/m3，动力粘度0.001 pa.s，入口流速0.1 m。

雷诺数：

\[Re= \frac{\rho u D}{\mu} = \frac{1000 \times 0.1 \times 0.01}{0.001} =1000
\]

几何及网格如图所示。在ICEM CFD中创建几何并划分网格，各边界命名如图所示。生成并输出网格pipe.msh。

OpenFOAM准备

本案例采用icoFoam求解器进行求解。因此先从tutorials文件夹中拷贝一个icoFoam模板，我们这里还是使用前面的elbow文件夹。

在此之前，先创建一个工作文件夹。我用命令在run路径下创建文件夹pipe。

mkdir $FOAM_RUN/pipe

之后利用命令copy一个elbow文件夹到pipe下面。

cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/elbow/ $FOAM_RUN/pipe

这样的话，pipe文件夹下就有了elbow文件夹。如果有洁癖的话，可以把elbow文件夹命名为pipe，或者把elbow文件夹下的文件copy到pipe文件夹下，然后删除掉elbow。这里懒得折腾，直接进入到elbow路径下，并把前面生成的pipe.msh文件拷贝到elbow文件夹下。

网格转换

进入到elbow目录下，利用命令：

fluentMeshToFoam pipe.msh

此命令将网格pipe.msh转化为OpenFOAM能够识别的网格文件。

elbow目录如下所示：

├── 0
│   ├── p
│   └── U
├── Allclean
├── Allrun
├── constant
│   ├── polyMesh
│   │   ├── boundary
│   │   ├── cellZones
│   │   ├── faces
│   │   ├── faceZones
│   │   ├── neighbour
│   │   ├── owner
│   │   ├── points
│   │   └── pointZones
│   └── transportProperties
├── elbow.msh
├── pipe.msh
└── system
    ├── controlDict
    ├── foamDataToFluentDict
    ├── fvSchemes
    └── fvSolution
4 directories, 19 files

此时可以查看polyMesh文件夹下的boundary文件。文件内容为：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       polyBoundaryMesh;
    location    "constant/polyMesh";
    object      boundary;
}
// * * * * * * * * * * * * * * //
3
(
    INLET
    {
        type            patch;
        nFaces          288;
        startFace       210864;
    }
    OUTLET
    {
        type            patch;
        nFaces          288;
        startFace       211152;
    }
    WALL
    {
        type            wall;
        inGroups        1(wall);
        nFaces          7968;
        startFace       211440;
    }
)

检查文件边界名称分别为：INLET、OUTLET以及WALL。这些是我们在ICEM CFD中定义的Part名称。此文件不需要修改。

设置p文件与U文件

0文件夹中包含有p文件和U文件。

先利用命令打开p文件，删除一些没用的边界，修改其内容为：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    object      p;
}
// * * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField   uniform 0;
boundaryField
{
    INLET
    {
        type            zeroGradient;
    }
    OUTLET
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 0;
    }
    WALL
    {
        type            zeroGradient;
    }
}

再打开U文件，修改其内容为：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volVectorField;
    object      U;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 1 -1 0 0 0 0];
internalField   uniform (0 0 0);
boundaryField
{
    INLET
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform (0.1 0 0);
    }
    OUTLET
    {
        type            zeroGradient;
    }
    WALL
    {
        type            noSlip;
    }
}

这里修改INLET边界的速度为x方向0.1 m/s。

修改transportProperties文件

此文件中设置一些常数项，本案例只需要设置运动粘度即可。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "constant";
    object      transportProperties;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-6;

注意这里设置的是运动粘度，其量纲单位是m2/s。

设置controlDict文件

打开controlDict文件

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * //
application     icoFoam;
startFrom       latestTime;
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         20;
deltaT          0.05;
writeControl    timeStep;
writeInterval   20;
purgeWrite      0;
writeFormat     ascii;
writePrecision  6;
writeCompression off;
timeFormat      general;
timePrecision   6;
runTimeModifiable true;
functions
{
  #includeFunc residuals
}

计算

回到elbow目录下，运行命令：

icoFoam

也可以用并行计算：

mpiexec -n 6 icoFoam

利用6个cpu进行计算。

此时可以利用命令监测残差：

foamMonitor -l postProcessing/residuals/0/residuals.dat

注意：此方法是建立在已安装gnuplot的基础之上，否则是看不到残差的。我的机器上blueCFD使用此命令出错，但是在虚拟机中用OpenFOAM没有任何问题，我不清楚是gnuplot没安装好还是其他什么原因。看不到残差曲线的，将就着看输出的数据好了。

后处理

输入命令：

paraFoam

软件自动启动ParaView，可观察剖面上速度分布云图，如图所示。

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