OpenFOAM Basic 第1讲：方腔顶盖驱动流
提示： 方腔顶盖驱动流是流动模拟中最为经典的问题之一。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。[1]
准备工作
- 安装好 OpenFOAM-ext
- 建立用户 run 目录，并将 tutorials 拷到该目录下：
mkdir $FOAM_RUN
cd $FOAM_RUN
cp -r $FOAM_TUTORIAL ./
case 文件夹结构
进入 cavity 目录：
cd $FOAM_RUN/tutorials/incompressible/icoFoam/cavity/
小技巧： 用鼠标选中上面的一行命令，在终端窗口，单击鼠标滚轮或中键，即可将此命令复制到终端窗口。
运行 tree 命令，可以看到以下的文件夹结构：
.
|-- 0 # 初始条件和边界条件
| |-- p # 压力
| `-- U # 速度
|-- constant # 参数和网格，文件夹
| |-- polyMesh # 网格
| | |-- blockMeshDict # 网格生成文件
| | |-- boundary # boundary, faces, neighbour, owner, points 为网格文件
| | |-- faces
| | |-- neighbour
| | |-- owner
| | `-- points
| `-- transportProperties # 流体属性文件
`-- system # 设置文件夹
|-- controlDict # 控制字典
|-- fvSchemes # 离散格式设置
`-- fvSolution # 代数方程求解器设置，比如残差、循环次数等
p 文件
我们先来看看 p 文件的内容：
FoamFile // 文件头，指出文件版本、格式、变量类型、名称
{
version 2.0; // 版本号
format ascii; // 输出格式，此处指 ascii 文本格式
class volScalarField; // 变量类型，volScalarField 指体心标量场
object p; // 变量（场）的名字
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
// 变量的量纲设置，[ ] 内数字依次各量的量纲的幂，即
// [质量 长度 时间 温度 分子量 电流 光通量] 的标准单位
// [kg m s K mol A cd]
dimensions [0 2 -2 0 0 0 0]; // p 的单位 m2s-2，不是 p 的真正单位，而是 p/rho
// 因为各方程将 rho 的因数去掉了
internalField uniform 0; // 内部场的值，uniform 代表统一的值，后面直接跟需要设定的值
boundaryField // 边界条件
{
movingWall // 边界的名字
{
type zeroGradient; // 第二类边界条件 (零梯度)，即 dp/dn=0
}
fixedWalls
{
type zeroGradient;
}
frontAndBack
{
type empty; // 空边界，说明是二维流动，该边界不参与方程离散
}
}
U 文件
相应的 U 的内容：(和上面解释一样的，就不重复写出了)
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volVectorField; // 场的类型，volVectorField 表示体心向量场
object U;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions [0 1 -1 0 0 0 0]; // 变量的单位，m/s
internalField uniform (0 0 0);
boundaryField
{
movingWall
{
type fixedValue; // 边界条件为定值
value uniform (1 0 0); // 值的大小，使用 ( ) 表示向量的大小
} // (1 0 0) 表示 x 方向的速度为 1 m/s
fixedWalls
{
type fixedValue;
value uniform (0 0 0);
}
frontAndBack
{
type empty;
}
}
controlDict 文件
接下来，我们看看 system/controlDict 的内容：
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary; // 对象的类型
object controlDict; // 对象的名字
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
application icoFoam; // 此 case 使用的求解器的名字
startFrom startTime; // 程序从 startTime (定义见下一行) 开始执行
startTime 0; // startTime 设定，此处为 0，可以设定为其他值
// 当设定为 latestTime 时，就从最近结束并保存的时间开始
stopAt endTime; // 程序什么时候结束
endTime 0.5; // 程序结束时间
deltaT 0.005; // 时间步长设定
writeControl timeStep; // 以什么方式输出计算结果，timeStep 指按时间步数来输出，
// 也可以是 runTime，按时间间隔来输出
writeInterval 20; // 按 20 个时间步长的间隔来输出一次结果
purgeWrite 0; // 输出过程是否覆盖，如果 0 则不覆盖，大于 0 为覆盖。
// 比如：设为 2，意思是 case 文件夹中只有最新的两个输出 (时间) 文件夹。
writeFormat ascii; // 写的格式 ascii 或 binary
writePrecision 6; // 文件输出精度
writeCompression uncompressed; // 是否对生成数据进行压缩，uncompressed/compressed;
timeFormat general; // 时间文件夹格式：fixed m.ddddd(d的个数取决于下面的
// timePrecision），scientific ：采用科学计数法，
// general：科学计数法指数小于－4用指数，大于－4用小数
timePrecision 6; // 时间文件夹精度
runTimeModifiable yes; // 在求解过程中是否允许修改字典文件 (如：controlDict) 里面的参数，
// 修改后的参数会体现在下一个时间步
fvSolution 文件
下面，我们来看看，当方程离散以后的方程组用什么方法来求解，这些设定在文件 system/fvSolution 里面：
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
object fvSolution;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
solvers // 方程求解器设置
{
p // 压力
{
solver PCG; // 预条件共轭梯度法（主要用于求解对称矩阵）
preconditioner DIC; // 预测器，对角不完全 Cholesky 方法
tolerance 1e-06; // 残差
relTol 0; // 容差
};
U // 速度
{
solver PBiCG; // 预条件双共轭梯度法（主要用于非对称矩阵）
preconditioner DILU; // 预测器，对角不完全 LU
tolerance 1e-05;
relTol 0;
};
}
PISO // PISO 控制参数
{
nCorrectors 2; // 修正次数
nNonOrthogonalCorrectors 0; // 非正交修正次数
pRefCell 0; // 压力参考 cell 的 index
pRefValue 0; // 压力参考值
}
fvSchemes 文件
每一个变量在方程中都需要离散，因此，对于离散格式的设置，就要用到 system/fvSchemes 文件：
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
object fvSchemes;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
ddtSchemes // 非稳态项离散的格式
{
default Euler; // 默认采用欧拉离散
}
gradSchemes // 梯度项离散的格式
{
default Gauss linear; // 默认采用高斯方法，线性插值
grad(p) Gauss linear; // grad(p) 压力梯度项，采用高斯方法，线性插值
}
divSchemes // 散度项离散的格式
{
default none; // 默认无格式，即必须指定离散格式
div(phi,U) Gauss linear; // 对流项离散，采用高斯方法，线性插值
}
laplacianSchemes // 拉普拉斯项离散
{
default none;
laplacian(nu,U) Gauss linear corrected; // 粘性项离散，corrected 为非正交修正
laplacian((1|A(U)),p) Gauss linear corrected; // 压力项离散
}
interpolationSchemes // 插值格式
{
default linear;
interpolate(HbyA) linear;
}
snGradSchemes // 面法向梯度分量
{
default corrected; // 默认采用非正交修正
}
fluxRequired // 是否计算流率
{
default no; // 默认不计算
p; // 压力需要计算，因为需要利用压力流率修正速度
}
解析了上面的这些文件，对在 OpenFOAM 里面的文件，你也大概有了一个了解。下面我们可以通过以下命令来运算一下这个 case。
blockMesh # 根据 blockMeshDict 文件的设定划分网格
icoFoam > log & # 执行 icoFoam 进行仿真计算，> log 表示将计算记录输出
# 到 log 文件，& 表示在后台运行
blockMeshDict 文件格式将另外解析。icoFoam 源程序 另行分析。
当计算完成，或网格生成后，可以运行 paraFoam 命令检查结果。paraFoam 是具有 foam 文件读写功能的 paraview 的外壳。 paraview 或 paraFoam 将另行解说。
参考文献
[1] 张金凤, 常璐, 马平亚．高雷诺数顶盖驱动方腔流实验 [J]. 水科学进展，2015, 26(3): 250-256
- Log in to post comments