【OpenFOAM】——OpenFOAM入门算例学习

1  明确目标——为啥费老大劲儿学习OpenFOAM

学习OpenFOAM主要出于课题需要，希望实现以下几个目标：

l  【 】学会用SnappyHexMesh生成高质量网格；

l  【 】学习使用OpenFOAM自带的 Immersed Boundary Method （IBM）处理复杂几何边界；

l  【 】实现LES算例；

l  【 】实现CFD的批处理以完成大量算例。

2 前期准备——在Win10上安装OpenFOAM

这部分主要参CFD大佬【流沙】提供的方法，详情见网页：

https://www.cnblogs.com/LSCAX/p/7074326.html

出于方便考虑，直接在Github上下载并安装BlueCFD，详情见下载页：

https://github.com/blueCFD/Core/releases/tag/blueCFD-Core-2017-2

目前已经更新到 2017-2 版，搭载OpenFOAM 5.0 版本，基本能满足使用要求。

3 入门算例学习—— lid-driven cavity flow

3.1 问题描述

一开始不打算写问题描述，在找lid-driven cavity flow一词的中文翻译的时候才发现也有大佬学习这个算例，而且这个算例能说明湍流的特征，也有相关的实验支持，所以添加问题描述这个环节，关于这部分的知识主要参考网页：

【陈十七】cavity算例https://blog.csdn.net/weixin_39124457/article/details/88926300

lid-driven cavity flow 翻译成中文就是 顶盖驱动方腔流 （参考知网翻译），理想模型见 REF _Ref12095029 \h 图 3‑1
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003000390035003000320039000000
。当顶盖以不同的速度运动时，方腔内的流体会呈现不同的流动特征。方腔流可以反映出不同雷诺数条件下的流场特性， 并且流场中包含了涡旋、二次流、复杂三维流动、不稳定层流、过渡流和紊流等多种现象， 成为研究复杂紊动流场最为理想的物理模型， 也是验证数值模拟方法准确度和效率的标准（张金凤，2015）。

图 3-1 顶盖驱动方腔流动模型，左为OpenFOAM Tutorial给出的计算模型，右图为实验模型

在OpenFOAM中求解这个问题主要分为三个环节：前处理（）——求解——后处理。首先将官方指南设置好的算例放入RUN所在的文件夹下，在BlueCFD终端中输入：

 cd $FOAM_RUN

 cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/cavity/cavity .

 cd cavity

在cavity下面有这样三个文件夹。

图  STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 2 cavity文件夹下所包含的内容

输入以下代码也能显示cavity文件夹下的目录结构，结果如 REF _Ref12108237 \h 图 3‑3
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003100300038003200330037000000
所示：

 tree $FOAM_RUN/cavity

图3-3 在BlueCFD终端下查看cavity文件夹下所包含的内容

一般case文件夹包括三个子文件夹，每部分的内容分别是：

0：存储物理量的初始值

——p：存储初始时刻的压力

——U：存储初始时刻的速度

constant：存储网格参数、边界条件以及物理属性（如材料参数、湍流参数等）

——polyMesh：blockMesh生成的网格文件

——transportProperties：物理特性

system：存储求解控制参数

——blockMeshDict：blockMesh网格控制文件

——controlDict：求解时间步的控制参数和输出控制参数

——fvScheme：离散格式

——fvSlotion：算法格式

上述内容参考：【流沙】的博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_599d8faa0102wq09.html

3.2  前处理（pre-processing）

OpenFOAM默认按照三维笛卡尔坐标运行，lid-driven cavity的算例是二维的运动，所以通过设置 empty 的边界条件实现二维的计算。

3.2.1 创建几何并生成网格

本例采用OpenFOAM自带的网格生成器blockMesh实现，包含网格信息的文件名为blockMeshDict，放在目录cavicity/system下面。

图  STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 4 blockMeshDict的存放位置

在BlueCFD终端输入以下代码可以查看文件的内容：

 cat $FOAM_RUN/cavity/system/blockMeshDict

在终端显示结果如下：

图  STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 5 blockMeshDict的内容

可以看到blockMeshDict大致包含以下几个部分的内容

1.       软件信息

 /*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\

 | =========                 |                                                 |

 | \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |

 |  \\    /   O peration     | Version:  5                                     |

 |   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |

 |    \\/     M anipulation  |                                                 |

 \*---------------------------------------------------------------------------*/

 //说明基本信息

2.       基本参数

FoamFile

 {

     version     2.0;

     format      ascii;

     class       dictionary;

     object      blockMeshDict;

 }

3.       定义缩放比

 convertToMeters 0.1;    //说明缩放尺寸，即模型中1个几何单位代表0.1m

4.       定义顶点

 vertices                //定义了立方体的顶点坐标，8个顶点，编号0~7

 (

     (  )

     (  )

     (  )

     (  )

     (  0.1)

     (  0.1)

     (  0.1)

     (  0.1)

 );

 .       定义block和block的网格划分

 blocks

 (

     hex (       ) (  ) simpleGrading (  )

 );

 //定义了构成block立方体的所有点，x、y和厚度方向分别划分为20、20、1个网格,simpleGrading应该指的是网格的尺寸的比例

6.       定义边

 edges

 (

 );      //定义边 edge，这里是体网格，所i有没有edge

7.       定义边界

 boundary    //定义边界

 (

     movingWall      //定义顶部的运动壁面，外面的名字是边界面的名称

     {

         type wall;       //边界面的类型

         faces

         (

             (   )   //由3762四个点构成的面，其中按照顺序以右手法则确定法向量

         );

     }

     fixedWalls

     {

         type wall;

         faces

         (

             (   )

             (   )

             (   )

         );          //定义静止壁面

     }

     frontAndBack   

     {

         type empty;    //定义前面和后面均为empty以实现二维运动

         faces

         (

             (   )

             (   )

         );

     }

 );

8.       定义需要融合的部分

 mergePatchPairs

 (

 ); //list of patches to be merged

 blockMeshDict文件编写好后，在BlueMesh终端输入以下命令即可执行网格生成blockMesh

返回如图3‑6所示结果。

图3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 6 blockMesh生成网格返回的结果

3.2.2 查看网格

建议采用Paraview查看网格划分结果，为了保持Paraview一直打开，所以在调用Paraview的命令后面空格兵添加&符号：

 paraFoam &

图  STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 7在Paraview中查看划分的网格

ParaView的使用也不太熟悉，做到这一步的时候真的感觉我是从零学起，哭辽。

注意先选定要绘制的part，点击apply之后再修改绘图的控制选项。

图  STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 8在Paraview中设置显示网格划分的结果

3.2.3 边界设置和初始条件确定

因为整个过程从时刻

开始，所以如前文所述，初始条件放在0这个文件夹下面，包括压力（文件夹p）和速度（文件夹U）。首先看p文件包含的信息，如 REF _Ref12115268 \h 图 3‑9
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003100310035003200360038000000
所示。

图3-9 p文件包含的信息

头文件略去，其余信息分析如下：

1.       量纲

一个7维向量来定义，每一维表示的量纲如 REF _Ref12115915 \h 表 3‑1
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003100310035003900310035000000
所示：

表3-1 OpenFOAM的量纲

维度	物理量	SI单位	USCS单位
1	质量（Mass）	Kg	lbm
2	长度（Length）	m	ft
3	时间（Time）	s	s
4	温度（Temperature）	K	ºR
5	物质的量（Quantity）	mol	mol
6	电流（Current）	A	A
7	发光强度（Luminous intensity）	cd	cd

这个p文件里的量纲为m²s^-2，即为运动压力（Kinematic pressure）的量纲

 dimensions      [  -    ];       //定义量纲，这里指运动压力

2.       场的初始条件

流场的每个控制点的数值，这里定义为均匀（uniform）并取为0

 internalField   uniform ;              //场的初始值，即流场的每个控制点值，这里定义为均匀（uniform）并取为0

3.       边界的初始条件

 boundaryField

 {

     movingWall

     {

         type            zeroGradient;

     }

     fixedWalls

     {

         type            zeroGradient;          //定义压力梯度为零，即法向压力梯度为零

     }

     frontAndBack

     {

         type            empty;            //empty使流动为二维

     }

 }

速度场的初始条件也是类似的：

 dimensions      

 dimension 　[  -    ];   //速度的量纲 m/s
 internalField   uniform (  );    //定义速度场的初始值，注意速度场是个矢量，所以是定义的是向量

 boundaryField                       //定义的边界的速度

 {

     movingWall

     {

         type            fixedValue;

         value           uniform (  );        //和顶盖的移动速度一致

     }

     fixedWalls

     {

         type            noSlip;                 //无滑移壁面边界条件

     }

     frontAndBack

     {

         type            empty;                  //设置前后为empty来实现二维流动

     }

 }

3.2.4 物理性质

物理性质通常定义在命名为 xxProperties 的文件中，对于本问题只需要定义运动粘度所以放在文件 tansportProperties 中，定义的代码如下：

 nu              [  -    ] 0.01;  //定义运动粘度nu，前面的向量为量纲

注意在这里，考虑雷诺数为10，根据那么运动粘度取值为0.01

3.2.5 时间控制

时间步的控制及相关的输出文件在system文件夹下的controlDict文件中。开始和结束时间是必须设定的，比如设定开始时间为0，这意味着OpenFOAM需要从名为0的文件夹中读取数据。这里将startFrom指定为startTime，并设定值为0，将stopAt指定为endTime，且指定为0.5s（即顶盖完整地划过10次）。

时间步长的关键词为deltaT，可以通过库朗数来确定，库朗数定义为：

其中

表示速度方向的网格尺寸，

为时间，需要保证在每一处地方

，考虑最极端的情况有：

 MACROBUTTON AMMPlaceRM \* MERGEFORMAT  SEQ AMEqn \h \* MERGEFORMAT (
SEQ AMEqn \c \* Arabic \* MERGEFORMAT 2)

反算得到

。指定OpenFOAM按照一定的时间步输出，那么就会在创建相应的时间步的文件夹如0，1.0，2.0等，将相关文件保存在其中。

 application     icoFoam;        //求解器选择icoFoam

 startFrom       startTime;       //指定开始的关键词

 startTime       ;               //指定开始时间

 stopAt          endTime;         //指定结束的关键词

 endTime         0.5;             //指定结束的时间

 deltaT          0.005;           //指定时间步长

 writeControl    timeStep;       //指定文件输出的方式：按照时间步输出

 writeInterval   ;             //每20个时间步输出一个结果

 purgeWrite      ;

 writeFormat     ascii;

 writePrecision  ;

 writeCompression off;

 timeFormat      general;

 timePrecision   ;

 runTimeModifiable true;

3.2.6 离散和求解器的设置（Discretisation and linear-solver settings）

若采用有限体积法，则离散格式的设定在system文件夹下的fvSchemes文件中，线性求解器和误差等算法格式的指定在system文件夹下的fvSolution文件中确定。对于本问题，当考虑为不可压缩流体时候，采用PISO算法，需要注意的本文采用的是相对压力（运动压力），所对需要指定pRefValue和pRefCell两个关键词。

3.3 求解（Running an application）

当前处理的每个部分都设置好之后，求解实质上就调用求解器，对于低层流，这里调用icoFoam，并指定相应的算例文件：

 icoFoam -case $FOAM_RUN/cavity

图  STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 10计算结束后生成0.1~0.5结果的文件夹

3.4 后处理（Post-processing）

后处理也是熟悉Paraview的一个重要过程

1.       点击apply，确保cavity.foam左边地小眼睛是蓝色的。

2.       选择要编辑的物理量，点击Edit，在右边可以调整绘图的选项。

point icon和 cell icon 的区别：

point icon以每个单元的值插值后绘制

cell icon 每个单元只有赋一个值

3.       【略，妈的paraview好难上手】

3.5 加密网格

3.5.1 在原来算例的基础上创建新的算例

首先创建cavityFine的算例文件夹，并将原始cavity的文件的设置文件constant和system文件夹拷贝到新的算例文件夹下

 mkdir cavityFine
 cp -r cavity/constant cavityFine
 cp -r cavity/system cavityFine
 cd cavityFine

3.5.2 修改blockMesh文件

修改blockMesh将网格尺寸变为（40，40，1），，保存文件后重新输入命令blockMesh即可生成需要的网格。

！！！注意！！！我发现在blueCFD中，当修改网格文本之后，首先要退回到run文件夹下重新进入cavityFine这个时候才能读取更新后的网格文本。

3.5.3 把粗网格的结果映射到细网格上

mapFields命令能够将一个几何的场结果映射到另一个几何上面，本例中粗细网格的几何和边界都是一样的，因此在调用mapFields命令时输入的参数选项为-consistent，并将粗网格的最后的结果映射到细网格开始的时刻（细网格中controlDict的startTime相应地要改为0.5）：

 mapFields $FOAM_RUN/cavity -consistent -sourceTime ‘latestTime’

由于网格尺寸减小了，根据库朗数控制的时间步长也要调整为0.0025s，将输出控制从timeStep改为从runTime输出，每0.1s输出一次结果，因此writeInterval改为0.1。注意因为cavityFine的startTime改为0.5了，所以endTime应该改为0.7s。

 //…

 application     icoFoam;

 startFrom       startTime;

 startTime       0.5;

 stopAt          endTime;

 endTime         0.7;

 deltaT          0.0025;

 writeControl    runTime;

 writeInterval   0.1;

 //…

可以看到运行icoFoam后，从0.5s开始算到了0.7s，且计算过程没有输入到blueCFD的终端上，而是放在了日志文件中：

计算的结果可以看到从0.5s（20网格）到0.7s（40网格）的变化过程