OpenFOAM的程序開發(fā)初步

1、OpenFOAM的程序開發(fā)初步OpenFOAM的程序開發(fā)初步一.OpenFOAM應用的類型：使用OpenFOAM進行CAE模擬的，大致可分為三種類型：1)直接利用OpenFOAM的標準的求解器進行模擬，把OpenFOAM替代商業(yè)軟件來使用，OpenFOAM已基本具有這樣的功能和人氣，與Fuent，Star-CD等相比較，OpenFOAM顯然具有更高的求解效率和靈活性。2)用戶自定義求解器，即利用OpenFOAM的基本類庫，如finiteVolume，OpenFOAM庫來按照自己的求解流程來編寫針對某類應用的求 解器。用戶需要開發(fā)的求解器就是類似于在OpenFOAM的applications中所

2、看到的標準求解器icoFOAM，simpleFOAM等。顯然 這一需求是非常大的，從OpenFOAM問世以來，已有很多用戶定義了自己的求解器。這類需求的特點是，并不需要特別關心，離散和求解的最底層的知識，如 時間項離散，空間項離散等，關注的重點是求解的步驟或者流程。在編程中，通常是頂層的求解流程的開發(fā)，在多數(shù)情況下可以不編譯OpenFOAM的 finiteVolume和OpenFOAM庫。這種頂層的求解器的開發(fā)，是我們以前常常忽略的，或者是以前沒有能力做到的。需要指出的是，商業(yè)軟件中的 所謂udf，user subroutine和這是不可相比的。3)用戶自己定義離散方法等。對于研究離散格式、代

3、數(shù)求解器等人來說，更關注時間項ddt，擴散項Laplacian，對流項div是如何離散的，能否有 更高效更高精度的離散方法，這需要修改finiteVolume庫和OpenFOAM庫中對應的代碼。尤其是對流項，盡管OpenFOAM已經(jīng)提供了基于 NVD和TVD的模板和40多種有名的高階高精度格式，但可以預見，這仍然是不夠的，畢竟對流項的離散仍然是目前CFD的重點研究方向?？梢钥隙ǖ氖?，目前有很多人關注類型2的應用，畢竟將OpenFOAM當成Fluent或Star-CCM來使用，并不見得方便。但是將OpenFOAM作為類庫來構建自己的求解器，這是其它軟件無法實現(xiàn)的OpenFOAM的程序開發(fā)初步二O

4、penFOAM程序開發(fā)的基本知識2.1OpenFOAM的基本術語重要的環(huán)境變量:$WM_PROJECT_USER_DIR OpenFOAM的用戶目錄$FOAM_TUTORIALS -OpenFOAM的算例目錄$ FOAM _SRC -OpenFOAM庫的源程序目錄$ FOAM_APP - OpenFOAM的求解器目錄$ FOAM_APPBIN - OpenFOAM的求解器執(zhí)行文件目錄$ FOAM_RUN -用戶的算例目錄重要的shell：run cd to $FOAM_RUNsrc = cd to $FOAM_SRCapp = cd to $FOAM_APPutil = cd to $FOAM

5、_APP/utilitiessol = cd to $FOAM_APP/solverstut = cd to $FOAM_TUTORIALS求解器的基本文件結構appName 包含求解器源代碼的目錄+appName.C 求解器主程序 CreateFields.H 場變量的聲明和初始化 +Make/ 編譯指令+files 編譯需要的源程序文件和生成的目標文件+options 編譯選項,如鏈接庫等appName/appName.C是求解器的主程序appName/createFields.H聲明變量，并從文件中讀入初值，如p，物性。appName/Make/files 所有源程序的名稱，一個文件一行

6、，最后一行是目標代碼的名稱和存放位置，EXE=$(FOAM_USER_APPBIN)/appNameappName/Make/options設定查找頭文件和庫的路徑，EXE_INCS,和需要鏈接的庫EXE_LIBS算例的基本文件結構case/ 算例目錄+0/ 包含初始和邊界條件+constant/ 包含初次讀入后，不隨時間變化的數(shù)據(jù)+polyMesh/ 包含多面體網(wǎng)格數(shù)據(jù)+transportProperties/ 包含物性數(shù)據(jù) +system/ 包含計算控制和離散格式設定+controlDict 包含計算控制，如時間步長等+fvSchemes 包含離散格式設定+fvSolutions 包含代數(shù)

7、求解器或SIMPLE，PISO算法設定具體而言case/0 每個需求解的變量需要一個文件設定其初始邊界條件case/constant/polyMesh 網(wǎng)格數(shù)據(jù)，如owner neighbour points faces boundarycase/system/transportProperties 物性數(shù)據(jù)case/system/controlDict 設定起始終止時間，時間步長，輸出控制case/system/fvSchemes 設定程序用到的每個微分算子的離散格式case/system/fvSolution 為每個變量選擇代數(shù)方程求解器/收斂精度及PISO等算法設定三OpenFOAM程序

8、開發(fā)的理論知識作求解開發(fā)，必須能寫出需要求解的控制方程及其定解條件，并且對于如何求解方程或方程組的步驟已經(jīng)明確。這些流體力學、傳熱學以及相關的理論是必需的，所謂連續(xù)介質力學中的數(shù)學模型，控制方程和定解條件就是表示它的語言。在這里是不可能說清楚的，這要看個人的功底了。四 .OpenFOAM程序開發(fā)的最簡單的例子下面采用OpenFOAM來開發(fā)一個用戶自己的求解器。主要是利用OpenFOAM的標準求解器icoFoam，用戶不需要寫任何代碼，只為為了熟悉OpenFOAM程序開發(fā)的環(huán)境和步驟。步驟：1) 將icoFoam目錄拷貝到新的目錄可采用下面的Linux的命令實現(xiàn)：到OpenFOAM的incomp

9、ressible目錄cd applications/incompressiblecp r icoFoam myicoFoam以上只是復制目錄icoFoam到新的位置，并且新目錄名為myicoFoamcd myicoFoam進入新的目錄，查看一下，可以看到里面的文件和icoFoam中是否一樣2) 原文件改名，并且刪除依賴文件將icoFoam.C改名myicoFoam.Cmv icoFoam.C myicoFoam.C刪除依賴文件rm icoFoam.dep3) 修改編譯文件files和options進入Make目錄，打開files文件 將icoFoam.C 源程序文件名EXE = $(FOAM_

10、APPBIN)/icoFoam 可執(zhí)行文件名修改為myicoFoam.C 源程序文件名EXE = $(FOAM_APPBIN)/myicoFoam 可執(zhí)行文件名此例中options不需修改，可以打開看看EXE_INC = 頭文件包含 -I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnIncludeEXE_LIBS = 鏈接庫-lfiniteVolume4）刪除原來的obj文件 rm rf linuxGccDPOptcd .5）編譯 wmake6) 檢驗一下 到tutorial目錄，檢驗一下 myicoFoam . cavity六.OpenFOAM程序開發(fā)例子一：在icoFoam中加入溫度

11、場求解準備：能量控制方程： dT/dt+div(den*U*T)=div(a gradT)在壁面上給定值條件。需要解決的問題：a）如何創(chuàng)建標量場，Tb) 如何創(chuàng)建物性，ac）如何定義溫度方程，并求解d) 如何在算例中設定T和ae)如何設定T的離散格式f)如何設定T的求解器的收斂標準等步驟：1)創(chuàng)建程序需要的新物性和新變量場打開myicoFoam.C可以看到，程序開始運行時調用CreateFields.H，創(chuàng)建變量場。打開CreateFields.H，可以看到程序首先從transportProperties文件中讀入物性， Info<< "Reading transport

12、Propertiesn" << endl; IOdictionary transportProperties ( IOobject ( "transportProperties", 從字典文件transportProperties讀入runTime.constant(), /transportProperties文件位于目錄runTime.constant()中 mesh, 網(wǎng)格對象 IOobject:MUST_READ, IOobject:NO_WRITE ); 創(chuàng)建了Iodictionary類型對象 transportProperties dime

13、nsionedScalar nu /首先讀入粘性系數(shù) ( transportProperties.lookup("nu") ); 創(chuàng)建有量綱標量nu，nu通過從字典transportProperties查找”nu”來賦值可以加上新方程需要的物性 dimensionedScalar DT /首先讀入熱擴散率 ( transportProperties.lookup("DT") ); 創(chuàng)建有量綱標量DT，DT通過從字典transportProperties查找”DT”來賦值此外還要從createFields中讀入p,U場，我們要加入的新的變量場為溫度場T，最

14、快的加入溫度場的方法是拷貝p場的代碼，修改為 Info<< "Reading field Tn" << endl; volScalarField T ( IOobject ( "T", runTime.timeName(), mesh, IOobject:MUST_READ, IOobject:AUTO_WRITE ), mesh );這樣，創(chuàng)建了新的vol標量場T，從文件T中讀入。對于T的創(chuàng)建具體解釋如下：a)創(chuàng)建了標量場Tb)T通過讀(IOobject:MUST_READ)在runTime.timeName()目錄下名稱為“T

15、”的文件創(chuàng)建，在開始計算時，runTime.timeName()是contorlDict中設定的startTime值決定的。c)T將自動寫入(IOobject:AUTO_WRITE)計算結果到runTime.timeName()目錄中，runTime.timeName()隨迭代是變化的，寫入控制由contorlDict中設定。d)T是定義在mesh對象上的，這意味著T在內部cell上有值internalField，在邊界上還需要邊界條件，這與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，由于溫度場依賴于速度場，可放

16、在PISO循環(huán)后面。# include "continuityErrs.H" U -= rUA*fvc:grad(p); U.correctBoundaryConditions(); / Add the temperature equation fvScalarMatrix Teqn 溫度是標量方程 ( fvm:ddt(T) + fvm:div(phi, T) 要用到界面流量 - fvm:laplacian(DT, T) 擴散項 ); TEqn.solve(); 求解3)編譯wmake4)在算例中加入新方程的初始和邊界條件4.1拷貝一個cavity算例到mycavity4.

17、2修改transportProperties字典文件，設定DTcd constant修改transportProperties文件，前面已提到DT要從該字典文件讀入。設定DT=0.002m2/sDT DT 0 2 -1 0 0 0 0 0.002;4.3修改T文件，設定初始值和邊界cd 0 進入0目錄拷貝一個T文件cp p T修改T文件為FoamFile version 2.0; format ascii; class volScalarField; object T;/ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *

18、 * * * * * * /dimensions 0 0 0 1 0 0 0;internalField uniform 300; 初始內部點為300 movingWall type fixedValue;value uniform 350.; 邊界為350 fixedWalls type fixedValue;value uniform 300.; 邊界為3005)修改離散格式和代數(shù)求解器求解控制文件A進入system目錄由于溫度方程有非穩(wěn)態(tài)項，對流項，擴散項，分別要在ddt，div，laplacian中設置打開fvSchemes文件，添加divSchemes default none; d

19、iv(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中設置代數(shù)求解器選項 T PBiCG preconditioner DILU; tolerance 1e-06; relTol 0; ;注意T方程形成的矩陣是非對稱的，不要用

20、PCG和DIC6)運行myicoFoam . mycavity七.OpenFOAM程序開發(fā)求解器的詳細分析1進入icoFoam目錄可以看到createFields.H icoFoam.C icoFoam.dep Make/Make/為wmake編譯所需的文件IcoFoam.C為主程序文件，它包含createFields.H編輯icoFoam.C可以看到icoFoam.C首先引入的頭文件為fvCFD.H。所以你可以看到，在編譯選項options中EXE_INC = -I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnInclude /fvCFD.H的存放目錄EXE_LIBS = -lfini

21、teVolume /需要鏈接的庫找到fvCFD.H,編輯，可以看出這些是主程序必須的類庫#ifndef fvCFD_H#define fvCFD_H#include "parRun.H"#include "Time.H" 時間類#include "fvMesh.H" 網(wǎng)格類#include "fvc.H" fvc類#include "fvMatrices.H" fvMatrix類#include "fvm.H" fvm類#include "linear.H"

22、;#include "calculatedFvPatchFields.H"#include "fixedValueFvPatchFields.H"#include "adjustPhi.H"#include "findRefCell.H"#include "mathematicalConstants.H"#include "OSspecific.H"#include "argList.H"#ifndef namespaceFoam#define names

23、paceFoam using namespace Foam;#endif#endif再看看icoFoam的程序體,了解一下求解程序的結構#include "fvCFD.H" （頭文件） 通常位于main函數(shù)前，是程序所需的類的定義/ * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /int main(int argc, char *argv) （包含文件）# include "setRootCase.H" # include "createTim

24、e.H"# include "createMesh.H"包含文件通常是程序片斷，如創(chuàng)建時間、創(chuàng)建網(wǎng)格等（求解器代碼）# include "createFields.H" 需要根據(jù)應用，單獨寫的代碼，如"createFields.H"和Main，以及Ueqn，pEqn等 # include "initContinuityErrs.H" / * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * /。八.OpenFOA

25、M程序開發(fā)求解器的詳細分析2a.場變量的定義引用前面的溫度場 Info<< "Reading field Tn" << 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/"，量綱可在文件中讀/ dimensionedScalar("zero", dimensionSet(1,