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【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 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

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

cavity下面有这样三个文件夹。

 

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 3?3所示:

1 tree $FOAM_RUN/cavity

 

图3-3 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。

 

3?4 blockMeshDict的存放位置

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:

 

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 &

 

3?7Paraview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。

 

3?8Paraview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 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 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01.02.0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pRefValuepRefCell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

 

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 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constantsystem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(40401),,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controlDictstartTime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cavityFinestartTime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 //

 

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0.5s20网格)到0.7s40网格)的变化过程

 

原文链接:http://www.cnblogs.com/BigTingting/p/11065007.html

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