計算流體和OpenFoam

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從碩士的計算數學到現在的流體的應用數學，算來也有五年的時間了．一直希望能尋找一個半專業的軟體可以做計算流體的學習和研究．

所謂半專業，是說一方面我們可以很傻瓜的如ansys,fluent那樣，使用他們的模型直接進行數值類比，另一方面我們又可以很輕易的修改模型．構建自己的模型．編寫自己的演算法．

所以第一次接觸ＯｐｅｎＦｏａｍ時，就被她完全的吸引了．如此的貼和我的要求．更有魅力的是，她是一個開源軟體，展現給我們的不僅僅是ｃｆｄ，更是一種編寫類比軟體的教程．

甚至我們自己可以試著學習怎麼去開發這樣的大型數值計算軟體．

下面的例子來源於蘇軍偉博士的新浪部落格，及我們園區的浪子禾月．

一　代碼解釋

例：OpenFOAM>>solver>>basic>>laplacianFoam

//createFields.H

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

//－工具提示。Info 等價於 C++中std::cout,Info間接調用cout    Info<< "Reading field T\n" << endl;   //這是一個類的初始化．volScalarField 類Ｔ對象的初始化．//－聲明一個標量場,網格中心儲存變數。該場是通過讀入檔案(IOobject and MUST_READ)進行設定,並根據controlDict中的設定進行自動write,由write.H中的runTime.write()來執行write();。     volScalarField T    (        IOobject        (            "T",　　//對應ｃａｓｅ根目錄下的目錄Ｔ，是資料存放區的方式            runTime.timeName(),//　Ｔ目錄下的時間名稱，　初始的是０目錄，            mesh,　　　            IOobject::MUST_READ,            IOobject::AUTO_WRITE        ),        mesh    );     //- 提示讀入參數控制檔案    Info<< "Reading transportProperties\n" << endl;    //- 參數控制檔案聲明過檔案形式讀入    IOdictionary transportProperties    (        IOobject        (            "transportProperties", //檔案名稱字            runTime.constant(), //檔案位置，case檔案夾中constant子檔案夾            mesh,                          IOobject::MUST_READ,//通過read一個檔案，初始化            IOobject::NO_WRITE  //並不根據時間對檔案進行寫        )    );     //－提出讀入擴散律    Info<< "Reading diffusivity DT\n" << endl;     //－通過查詢參數控制檔案，初始化帶有單位的標量，lookup中的“DT”為關鍵字    dimensionedScalar DT    (        transportProperties.lookup("DT")    );

//laplacianFoam.C　(OpenFoam2.4.0)

 1 #include "fvCFD.H"//-cfd標頭檔，包括大多數cfd計算需要的標頭檔，在src » finiteVolume » cfdTools » general » include

 2 #include "simpleControl.H"  
 3 
 4 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //  
 5  
 6 int main(int argc, char *argv[])  
 7 {  
 8 #include "setRootCase.H"  
 9 
10 #include "createTime.H" 
11 #include "createMesh.H" 
12 #include "createFields.H" 
13 
14  simpleControl simple(mesh); 
15 
16 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // 
17 
18 Info<< "\nCalculating temperature distribution\n" << endl; 
19 
20 while (simple.loop())
21  { 
22 Info<< "Time = " << runTime.timeName() << nl << endl; 
23 
24 while (simple.correctNonOrthogonal()) 
25  { 
26  solve 
27  ( 
28 fvm::ddt(T) - fvm::laplacian(DT, T) 
29  ); 
30  } 
31 
32 #include "write.H" 
33 
34 Info<< "ExecutionTime = " << runTime.elapsedCpuTime() << " s" 
35 << " ClockTime = " << runTime.elapsedClockTime() << " s" 
36 << nl << endl; 
37  } 
38 
39 Info<< "End\n" << endl; 
40 
41 return 0; 
42 }

 

 1 #include "fvCFD.H"  //-cfd標頭檔，包括大多數cfd計算需要的標頭檔，在src » finiteVolume » cfdTools » general » include 2   3   4 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // 5 //主程式入口 6 int main(int argc, char *argv[]) 7 { 8 //設定rootcase，根據輸入參數argc 和 argv對 9 #   include "setRootCase.H"10  11 //－建立時間，下面的runTime控制12 #   include "createTime.H"13  14 //建立網格，根據constant檔案中polyMesh檔案夾中的網格資料，建立網格對象mesh，位於src » OpenFOAM » include15 #   include "createMesh.H"16  17 //建立場對象，在前面已經說明18 #   include "createFields.H"19  20 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //21 //提示計算溫度分布22     Info<< "\nCalculating temperature distribution\n" << endl;23 //計算主控制流程程24     for (runTime++; !runTime.end(); runTime++)25     {26 //提示當前計算時間27         Info<< "Time = " << runTime.timeName() << nl << endl;28 //讀入simple演算法參數，位於29  30 src » finiteVolume » cfdTools » general » include31  32 #       include "readSIMPLEControls.H"33 //對於網格非正交迴圈修正。34         for (int nonOrth=0; nonOrth<=nNonOrthCorr; nonOrth++)35         {36 //求解拉普拉斯方程,這裡的solve是Foam空間的全域函數，內參數為fvMatrix，fvm表示隱式離散，返回有限容積疏鬆陣列類fvMatrix對象，具體對象中內容，以後說明37             solve38             (39                 fvm::ddt(T) - fvm::laplacian(DT, T)40             );41         }42 //對求解變數進行寫43 #       include "write.H"44 //提示執行時間及CPU耗時45         Info<< "ExecutionTime = " << runTime.elapsedCpuTime() << " s"46             << "  ClockTime = " << runTime.elapsedClockTime() << " s"47             << nl << endl;48     }49 //提示程式結束50     Info<< "End\n" << endl;51  52     return(0);53 }

//write.H

 1 if (runTime.outputTime()) 2 { 3     volVectorField gradT = fvc::grad(T);  //計算溫度梯度，向量場 4   5    //聲明3個變數，分別以gradT的三個方向的分量進行初始化。 6   7     volScalarField gradTx 8     ( 9         IOobject10         (11             "gradTx", //變數名字12             runTime.timeName(), //位置13             mesh,               //mesh，主要用於對象註冊，根據runTime進行寫14             IOobject::NO_READ,  //15             IOobject::AUTO_WRITE //自動寫16         ),17         gradT.component(vector::X)  //用場初始話，vector::X 枚舉變數，可直接寫0 //gradT.component(0)18     );19  20     volScalarField gradTy21     (22         IOobject23         (24             "gradTy",25             runTime.timeName(),26             mesh,27             IOobject::NO_READ,28             IOobject::AUTO_WRITE29         ),30         gradT.component(vector::Y)31     );32  33     volScalarField gradTz34     (35         IOobject36         (37             "gradTz",38             runTime.timeName(),39             mesh,40             IOobject::NO_READ,41             IOobject::AUTO_WRITE42         ),43         gradT.component(vector::Z)44     );45  46     //對場進行寫47     runTime.write();48 }

二　Ｃ檔案

我們重點分析Ｃ檔案

//laplacianFoam.C　(OpenFoam2.4.0)

 1 #include "fvCFD.H"//-cfd標頭檔，包括大多數cfd計算需要的標頭檔，在src » finiteVolume » cfdTools » general » include

 2 #include "simpleControl.H"  
 3 
 4 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //  
 5  
 6 int main(int argc, char *argv[])  
 7 {  
 8 #include "setRootCase.H"  
 9 
10 #include "createTime.H" 
11 #include "createMesh.H" 
12 #include "createFields.H" 
13 
14  simpleControl simple(mesh); 
15 
16 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // 
17 
18 Info<< "\nCalculating temperature distribution\n" << endl; 
19 
20 while (simple.loop())
21  { 
22 Info<< "Time = " << runTime.timeName() << nl << endl; 
23 
24 while (simple.correctNonOrthogonal()) 
25  { 
26  solve 
27  ( 
28 fvm::ddt(T) - fvm::laplacian(DT, T) 
29  ); 
30  } 
31 
32 #include "write.H" 
33 
34 Info<< "ExecutionTime = " << runTime.elapsedCpuTime() << " s" 
35 << " ClockTime = " << runTime.elapsedClockTime() << " s" 
36 << nl << endl; 
37  } 
38 
39 Info<< "End\n" << endl; 
40 
41 return 0; 
42 }

 １０－１２行我們建立了場的網格，即我們將向量附著在了幾何空間上，形成了一個場．也就是說，目前我們有了數學上所描述的溫度場Ｔ．此時，Ｔ還沒有任何東西，是０標量場．

計算流體和OpenFoam