【OpenFOAM】——OpenFOAM入门算例学习

来源：cnblogs　　作者：elcazador　　时间：2019/6/24 8:57:55　　对本文有异议

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），理想模型见图 3?1。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：

1 cd $FOAM_RUN
2 
3 cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/cavity/cavity .
4 
5 cd cavity

在cavity下面有这样三个文件夹。

图 3?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，结果如图 3?3所示：

1 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 3?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：

1 cat $FOAM_RUN/cavity/system/blockMeshDict

在终端显示结果如下：

图 3?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

 1 /*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------* 2 
 3 | =========                 |                                                 |
 4 
 5 | \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
 6 
 7 |  \\    /   O peration     | Version:  5                                     |
 8 
 9 |   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |
10 
11 |    \\/     M anipulation  |                                                 |
12 
13 \*---------------------------------------------------------------------------*/
14 
15 //说明基本信息

2. 基本参数

FoamFile

 1 {
 2 
 3     version     2.0;
 4 
 5     format      ascii;
 6 
 7     class       dictionary;
 8 
 9     object      blockMeshDict;
10 
11 }

3. 定义缩放比

1 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

 1 vertices                //定义了立方体的顶点坐标，8个顶点，编号0~7
 2 
 3 (
 4 
 5     (0 0 0)
 6 
 7     (1 0 0)
 8 
 9     (1 1 0)
10 
11     (0 1 0)
12 
13     (0 0 0.1)
14 
15     (1 0 0.1)
16 
17     (1 1 0.1)
18 
19     (0 1 0.1)
20 
21 );
22 
23 5.       定义block和block的网格划分
24 
25 blocks
26 
27 (
28 
29     hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (20 20 1) simpleGrading (1 1 1)
30 
31 );
32 
33 //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

1 edges
2 
3 (
4 
5 );      //定义边 edge，这里是体网格，所i有没有edge

7. 定义边界

 1 boundary    //定义边界
 2 
 3 (
 4 
 5     movingWall      //定义顶部的运动壁面，外面的名字是边界面的名称
 6 
 7     {
 8 
 9         type wall;       //边界面的类型
10 
11         faces
12 
13         (
14 
15             (3 7 6 2)   //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
16 
17         );
18 
19     }
20 
21     fixedWalls
22 
23     {
24 
25         type wall;
26 
27         faces
28 
29         (
30 
31             (0 4 7 3)
32 
33             (2 6 5 1)
34 
35             (1 5 4 0)
36 
37         );          //定义静止壁面
38 
39     }
40 
41     frontAndBack   
42 
43     {
44 
45         type empty;    //定义前面和后面均为empty以实现二维运动
46 
47         faces
48 
49         (
50 
51             (0 3 2 1)
52 
53             (4 5 6 7)
54 
55         );
56 
57     }
58 
59 );

8. 定义需要融合的部分

1 mergePatchPairs
2 
3 (
4 
5 ); //list of patches to be merged
6 
7 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?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：

1 paraFoam &

图 3?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 3?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，如图 3?9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表 3?1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

1 dimensions      [0 2 -2 0 0 0 0];       //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

1 internalField   uniform 0;              //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

 1 boundaryField
 2 
 3 {
 4 
 5     movingWall
 6 
 7     {
 8 
 9         type            zeroGradient;
10 
11     }
12 
13  
14 
15     fixedWalls
16 
17     {
18 
19         type            zeroGradient;          //定义压力梯度为零，即法向压力梯度为零
20 
21     }
22 
23  
24 
25     frontAndBack
26 
27     {
28 
29         type            empty;            //empty使流动为二维
30 
31     }
32 
33 }

速度场的初始条件也是类似的：

1 dimensions

 1 dimension 　[0 1 -1 0 0 0 0];   //速度的量纲 m/s
 2 internalField   uniform (0 0 0);    //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
 3 
 4  
 5 
 6 boundaryField                       //定义的边界的速度
 7 
 8 {
 9 
10     movingWall
11 
12     {
13 
14         type            fixedValue;
15 
16         value           uniform (1 0 0);        //和顶盖的移动速度一致
17 
18     }
19 
20  
21 
22     fixedWalls
23 
24     {
25 
26         type            noSlip;                 //无滑移壁面边界条件
27 
28     }
29 
30  
31 
32     frontAndBack
33 
34     {
35 
36         type            empty;                  //设置前后为empty来实现二维流动
37 
38     }
39 
40 }

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：

1 nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 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：

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。

 1 application     icoFoam;        //求解器选择icoFoam
 2 
 3  
 4 
 5 startFrom       startTime;       //指定开始的关键词
 6 
 7  
 8 
 9 startTime       0;               //指定开始时间
10 
11  
12 
13 stopAt          endTime;         //指定结束的关键词
14 
15  
16 
17 endTime         0.5;             //指定结束的时间
18 
19  
20 
21 deltaT          0.005;           //指定时间步长
22 
23  
24 
25 writeControl    timeStep;       //指定文件输出的方式：按照时间步输出
26 
27  
28 
29 writeInterval   20;             //每20个时间步输出一个结果
30 
31  
32 
33 purgeWrite      0;
34 
35  
36 
37 writeFormat     ascii;
38 
39  
40 
41 writePrecision  6;
42 
43  
44 
45 writeCompression off;
46 
47  
48 
49 timeFormat      general;
50 
51  
52 
53 timePrecision   6;
54 
55  
56 
57 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：

1 icoFoam -case $FOAM_RUN/cavity

图 3?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

1 mkdir cavityFine
2 cp -r cavity/constant cavityFine
3 cp -r cavity/system cavityFine
4 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）：

1 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。

 1 //…
 2 
 3 application     icoFoam;
 4 
 5  
 6 
 7 startFrom       startTime;
 8 
 9  
10 
11 startTime       0.5;
12 
13  
14 
15 stopAt          endTime;
16 
17  
18 
19 endTime         0.7;
20 
21  
22 
23 deltaT          0.0025;
24 
25  
26 
27 writeControl    runTime;
28 
29  
30 
31 writeInterval   0.1;
32 
33 //…