OpenFOAM的程序开发初步

liuhuafeifei

一.OpenFOAM应用的类型：
使用OpenFOAM进行CAE模拟的，大致可分为三种类型：
1)直接利用OpenFOAM的标准的求解器进行模拟，把OpenFOAM替代商业软件来使用，OpenFOAM已基本具有这样的功能和人气，与Fuent，Star-CD等相比较，OpenFOAM显然具有更高的求解效率和灵活性。
2)用户自定义求解器，即利用OpenFOAM的基本类库，如finiteVolume，OpenFOAM库来按照自己的求解流程来编写针对某类应用的求解器。用户需要开发的求解器就是类似于在OpenFOAM的applications中所看到的标准求解器icoFOAM，simpleFOAM等。显然这一需求是非常大的，从OpenFOAM问世以来，已有很多用户定义了自己的求解器。这类需求的特点是，并不需要特别关心，离散和求解的最底层的知识，如时间项离散，空间项离散等，关注的重点是求解的步骤或者流程。在编程中，通常是顶层的求解流程的开发，在多数情况下可以不编译OpenFOAM的finiteVolume和OpenFOAM库。这种顶层的求解器的开发，是我们以前常常忽略的，或者是以前没有能力做到的。需要指出的是，商业软件中的所谓udf，user subroutine和这是不可相比的。
3)用户自己定义离散方法等。对于研究离散格式、代数求解器等人来说，更关注时间项ddt，扩散项Laplacian，对流项div是如何离散的，能否有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。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，但可以预见，这仍然是不够的，毕竟对流项的离散仍然是目前CFD的重点研究方向。
可以肯定的是，目前有很多人关注类型2的应用，毕竟将OpenFOAM当成Fluent或Star-CCM来使用，并不见得方便。但是将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

liuhuafeifei

二．OpenFOAM程序开发的基本知识
2.1OpenFOAM的基本术语
重要的环境变量:
$WM_PROJECT_USER_DIR  ―― OpenFOAM的用户目录
$FOAM_TUTORIALS          ------OpenFOAM的算例目录
$ FOAM _SRC                ------OpenFOAM库的源程序目录
$ FOAM_APP                ------ OpenFOAM的求解器目录
$ FOAM_APPBIN            ------- OpenFOAM的求解器执行文件目录
$ FOAM_RUN                ------用户的算例目录
重要的shell：
run    ＝  cd to $FOAM_RUN
src    =  cd to $FOAM_SRC
app    =  cd to $FOAM_APP
util    =  cd to $FOAM_APP/utilities
sol    =  cd to $FOAM_APP/solvers
tut    =  cd to $FOAM_TUTORIALS

求解器的基本文件结构
appName            包含求解器源代码的目录
+appName.C        求解器主程序
  ＋CreateFields.H  场变量的声明和初始化
  +Make/          编译指令
+files        编译需要的源程序文件和生成的目标文件
+options      编译选项,如链接库等
appName/appName.C是求解器的主程序
appName/createFields.H声明变量，并从文件中读入初值，如p，物性。
appName/Make/files 所有源程序的名称，一个文件一行，最后一行是目标代码的名称和存放位置，EXE=$(FOAM_USER_APPBIN)/appName
appName/Make/options设定查找头文件和库的路径，EXE_INCS,和需要链接的库EXE_LIBS

算例的基本文件结构
case/                        算例目录
+0/                        包含初始和边界条件
+constant/                  包含初次读入后，不随时间变化的数据
+polyMesh/            包含多面体网格数据
+transportProperties/      包含物性数据
  +system/                  包含计算控制和离散格式设定
+controlDict            包含计算控制，如时间步长等
+fvSchemes              包含离散格式设定
+fvSolutions            包含代数求解器或SIMPLE，PISO算法设定
具体而言
case/0                      每个需求解的变量需要一个文件设定其初始边界条件
case/constant/polyMesh        网格数据，如owner neighbour points faces boundary
case/system/transportProperties  物性数据
case/system/controlDict        设定起始终止时间，时间步长，输出控制
case/system/fvSchemes        设定程序用到的每个微分算子的离散格式
case/system/fvSolution      为每个变量选择代数方程求解器/收敛精度及PISO等算法设定

liuhuafeifei

三．OpenFOAM程序开发的理论知识
作求解开发，必须能写出需要求解的控制方程及其定解条件，并且对于如何求解方程或方程组的步骤已经明确。
这些流体力学、传热学以及相关的理论是必需的，所谓连续介质力学中的数学模型，控制方程和定解条件就是表示它的语言。
在这里是不可能说清楚的，这要看个人的功底了。

四 .OpenFOAM程序开发的最简单的例子
下面采用OpenFOAM来开发一个用户自己的求解器。主要是利用OpenFOAM的标准求解器icoFoam，用户不需要写任何代码，只为为了熟悉OpenFOAM程序开发的环境和步骤。
步骤：
1)    将icoFoam目录拷贝到新的目录
可采用下面的Linux的命令实现：
到OpenFOAM的incompressible目录
cd applications/incompressible
cp –r icoFoam myicoFoam
以上只是复制目录icoFoam到新的位置，并且新目录名为myicoFoam
cd myicoFoam
进入新的目录，查看一下，可以看到里面的文件和icoFoam中是否一样

2)    原文件改名，并且删除依赖文件
将icoFoam.C改名myicoFoam.C
mv icoFoam.C myicoFoam.C
删除依赖文件
rm 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      源程序文件名
EXE = $(FOAM_APPBIN)/icoFoam  可执行文件名
修改为
myicoFoam.C      源程序文件名
EXE = $(FOAM_APPBIN)/myicoFoam  可执行文件名

此例中options不需修改，可以打开看看
EXE_INC = \    头文件包含
    -I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnInclude
EXE_LIBS = \  链接库
-lfiniteVolume
4）删除原来的obj文件
    rm –rf linuxGccDPOpt
cd ..
5）编译
  wmake
6) 检验一下
  到tutorial目录，检验一下
  myicoFoam . cavity

六.OpenFOAM程序开发――例子一：在icoFoam中加入温度场求解
准备：
能量控制方程：
  dT/dt+div(den*U*T)=div(a gradT)

在壁面上给定值条件。
需要解决的问题：
a）如何创建标量场，T
b) 如何创建物性，a
c）如何定义温度方程，并求解
d) 如何在算例中设定T和a
e)如何设定T的离散格式
f)如何设定T的求解器的收敛标准等
步骤：
1)创建程序需要的新物性和新变量场
打开myicoFoam.C可以看到，程序开始运行时调用CreateFields.H，创建变量场。
打开CreateFields.H，可以看到程序首先从transportProperties文件中读入物性，
    Info<< "Reading transportProperties\n" << endl;

    IOdictionary transportProperties
    (
        IOobject
        (
            "transportProperties",              从字典文件transportProperties读入
runTime.constant(), //transportProperties文件位于目录runTime.constant()中
            mesh,            网格对象                  
            IOobject::MUST_READ,
            IOobject::NO_WRITE
        )
);  创建了Iodictionary类型对象 transportProperties

    dimensionedScalar nu        //首先读入粘性系数
    (
        transportProperties.lookup("nu")
    );  创建有量纲标量nu，nu通过从字典transportProperties查找”nu”来赋值

可以加上新方程需要的物性
    dimensionedScalar DT        //首先读入热扩散率
    (
        transportProperties.lookup("DT")
    ); 创建有量纲标量DT，DT通过从字典transportProperties查找”DT”来赋值
此外还要从createFields中读入p,U场，我们要加入的新的变量场为温度场T，最快的加入温度场的方法是拷贝p场的代码，修改为
    Info<< "Reading field T\n" << endl;
    volScalarField T
    (
        IOobject
        (
            "T",
            runTime.timeName(),
            mesh,
            IOobject::MUST_READ,
            IOobject::AUTO_WRITE
        ),
        mesh
    );
这样，创建了新的vol标量场T，从文件T中读入。
对于T的创建具体解释如下：
a)创建了标量场T
b)T通过读(IOobject::MUST_READ)在runTime.timeName()目录下名称为“T”的文件创建，在开始计算时，runTime.timeName()是contorlDict中设定的startTime值决定的。
c)T将自动写入(IOobject::AUTO_WRITE)计算结果到runTime.timeName()目录中，runTime.timeName()随迭代是变化的，写入控制由contorlDict中设定。
d)T是定义在mesh对象上的，这意味着T在内部cell上有值internalField，在边界上还需要边界条件，这与polyMesh/boundary中要一致。

2)在求解器中加入新的求解方程
    下一步回到myicoFoam.C加入新的微分方程，由于温度场依赖于速度场，可放在PISO循环后面。
#          include "continuityErrs.H"

            U -= rUA*fvc::grad(p);
      
            U.correctBoundaryConditions();
      
//          Add the temperature equation
   
            fvScalarMatrix Teqn 温度是标量方程  
          (
              fvm::ddt(T)
            + fvm::div(phi, T)      要用到界面流量
            - fvm::laplacian(DT, T)  扩散项
          );
              TEqn.solve();          求解

3)编译
wmake
4)在算例中加入新方程的初始和边界条件
4.1拷贝一个cavity算例到mycavity
4.2修改transportProperties字典文件，设定DT
cd constant
修改transportProperties文件，前面已提到DT要从该字典文件读入。设定DT=0.002m2/s
DT              DT [0 2 -1 0 0 0 0] 0.002;
4.3修改T文件，设定初始值和边界
cd 0 进入0目录
拷贝一个T文件
cp p T
修改T文件为
FoamFile
{
    version        2.0;
    format          ascii;

    class          volScalarField;
    object          T;
}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //


dimensions      [0 0 0 1 0 0 0];

internalField  uniform 300;    初始内部点为300℃

    movingWall      
    {
type            fixedValue;
value uniform  350.;        边界为350℃
    }

    fixedWalls      
    {
type            fixedValue;
value uniform  300.;        边界为300℃

5)修改离散格式和代数求解器求解控制文件
A进入system目录
由于温度方程有非稳态项，对流项，扩散项，分别要在ddt，div，laplacian中设置
打开fvSchemes文件，添加
divSchemes
{
    default        none;
    div(phi,U)      Gauss upwind;
    div(phi,T)      Gauss upwind;
}

laplacianSchemes
{
    default        none;
    laplacian(nu,U) Gauss linear corrected;
    laplacian(DT,T) Gauss linear corrected;
    laplacian((1|A(U)),p) Gauss linear corrected;
}
在fvSolution中设置代数求解器选项
      T PBiCG
    {
        preconditioner  DILU;
        tolerance        1e-06;
        relTol          0;
    };
注意T方程形成的矩阵是非对称的，不要用PCG和DIC
6)运行
myicoFoam . mycavity

liuhuafeifei

七.OpenFOAM程序开发――求解器的详细分析1
进入icoFoam目录
可以看到
createFields.H  icoFoam.C  icoFoam.dep Make/
Make/为wmake编译所需的文件
IcoFoam.C为主程序文件，它包含createFields.H
编辑icoFoam.C
可以看到icoFoam.C首先引入的头文件为fvCFD.H。
所以你可以看到，在编译选项options中
EXE_INC = \
    -I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnInclude  //fvCFD.H的存放目录

EXE_LIBS = \
    -lfiniteVolume                  //需要链接的库

找到fvCFD.H,编辑，可以看出这些是主程序必须的类库
#ifndef fvCFD_H
#define fvCFD_H

#include "parRun.H"

#include "Time.H"              时间类
#include "fvMesh.H"            网格类
#include "fvc.H"                fvc类
#include "fvMatrices.H"          fvMatrix类
#include "fvm.H"                fvm类
#include "linear.H"
#include "calculatedFvPatchFields.H"
#include "fixedValueFvPatchFields.H"
#include "adjustPhi.H"
#include "findRefCell.H"
#include "mathematicalConstants.H"

#include "OSspecific.H"
#include "argList.H"

#ifndef namespaceFoam
#define namespaceFoam
    using namespace Foam;
#endif

#endif

再看看icoFoam的程序体,了解一下求解程序的结构

#include "fvCFD.H"        ――――――――――――――――（头文件）
                        通常位于main函数前，是程序所需的类的定义
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

int main(int argc, char *argv[])
{
                          ―――――――――――――――（包含文件）
#  include "setRootCase.H"  

#  include "createTime.H"
#  include "createMesh.H"
―――――――――――包含文件通常是程序片断，如创建时间、创建网格等

―――――――――――――――（求解器代码）――――――
#  include "createFields.H"         
需要根据应用，单独写的代码，如"createFields.H"和Main，以及Ueqn，pEqn等
    ―――――――――――――――――――――――――――――――――――――
#  include "initContinuityErrs.H"
                        
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

。。。。。
}
八.OpenFOAM程序开发――求解器的详细分析2
a.场变量的定义
引用前面的温度场
    Info<< "Reading field T\n" << endl;
    volScalarField T
    (
        IOobject
        (
            "T",
            runTime.timeName(),
            mesh,
            IOobject::MUST_READ,
            IOobject::AUTO_WRITE
        ),
        mesh
    );
例如
volScalarField CO2
(
IOobject
(
"CO2",
runTime.timeName(),
mesh,
IOobject::READ_IF_PRESENT,
IOobject::AUTO_WRITE
),
mesh,
// Optional declaration, this can be done by accessing a file in "case/0/"，量纲可在文件中读
// dimensionedScalar("zero", dimensionSet(1,-1,-3,0,0,0,0), value)
);
b.场变量的使用
场变量有定义在内部cell上的值，也有边界上的值
例如给组分限值
Example of a mass fraction limiter used in this project:
// Initialize the variable Y_i for use in a loop
scalarField& CO2Internal = CO2.internalField();  引用内部点

// Loop for all mesh points  遍历内部点
forAll(CO2, celli)
{
// Limits the mass fraction to a positive number
if (CO2Internal[celli] < 0.0)
{
CO2Internal[celli] = 0.0;
}
// Limits the mass fraction to max 1.0
if (CO2Internal[celli] > 1.0)
{
CO2Internal[celli] = 1.0;
}
}

c.定义输运方程
OpenFOAM 定义方程时要选择一种类型的fvMatrix，有fvScalarMatrix和fvVectorMatrix
离散格式在case/system/fvSchemes.中设定
// Define a ScalarMatrix as a object
fvScalarMatrix CO2Eqn 定义系数矩阵
(
fvm::div(phi, CO2)            对流项离散fvm::div
- fvm::laplacian(turbulence->nuEff(),CO2)  扩散项离散fvm::div
== S_CO2                            源项
);

// Apply underrelaxation to the equation
// Under relaxation factors defined in file: fvSolution
CO2Eqn.relax();  松弛
CO2Eqn.solve();  求解

liuhuafeifei

[img]c:\[1.jpg]

liuhuafeifei

tut files

ziyou123

好贴
支持下，谢谢了

OpenFOAM

不错 顶一个!

xiaoshuai537

写得好，以后多发这种好贴呀！

shirazbj

强。
学习。

lml3504

up

monday

aalundilong

太好了

polestar1982

谢谢楼主
好帖  强烈支持

nwpuyang

谢谢楼住，学习中，