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作者 | 本页主题： OpenFOAM的程序开发

even2004      信息：  来自：未填  发贴：1239 贴  积分：244 点 货币：5814 阳光币 注册时间：2008/12/31  资料 好友 消息 引用回复 选择字号91011121415161820253050 OpenFOAM的程序开发 一.OpenFOAM应用的类型： 使用OpenFOAM进行CAE模拟的，大致可分为三种类型： 1)直接利用OpenFOAM的标准的求解器进行模拟，把OpenFOAM替代商业软件来使用，OpenFOAM已基本具有这样的功能和人气，与Fuent，Star-CD等相比较，OpenFOAM显然具有更高的求解效率和灵活性。 2)用户自定义求解器，即利用OpenFOAM的基本类库，如finiteVolume，OpenFOAM库来按照自己的求解流程来编写针对某类应用的求解器。用户需要开发的求解器就是类似于在OpenFOAM的applications中所看到的标准求解器icoFOAM，simpleFOAM等。显然这一需求是非常大的，从OpenFOAM问世以来，已有很多用户定义了自己的求解器。这类需求的特点是，并不需要特别关心，离散和求解的最底层的知识，如时间项离散，空间项离散等，关注的重点是求解的步骤或者流程。在编程中，通常是顶层的求解流程的开发，在多数情况下可以不编译OpenFOAM的finiteVolume和OpenFOAM库。这种顶层的求解器的开发，是我们以前常常忽略的，或者是以前没有能力做到的。需要指出的是，商业软件中的所谓udf，user subroutine和这是不可相比的。 3)用户自己定义离散方法等。对于研究离散格式、代数求解器等人来说，更关注时间项ddt，扩散项Laplacian，对流项div是如何离散的，能否有更高效更高精度的离散方法，这需要修改finiteVolume库和OpenFOAM库中对应的代码。尤其是对流项，尽管OpenFOAM已经提供了基于NVD和TVD的模板和40多种有名的高阶高精度格式，但可以预见，这仍然是不够的，毕竟对流项的离散仍然是目前CFD的重点研究方向。 可以肯定的是，目前有很多人关注类型2的应用，毕竟将OpenFOAM当成Fluent或Star-CCM来使用，并不见得方便。但是将OpenFOAM作为类库来构建自己的求解器，这是其它软件无法实现的。 二．OpenFOAM程序开发的基本知识 2.1OpenFOAM的基本术语 重要的环境变量: $WM_PROJECT_USER_DIR  ―― OpenFOAM的用户目录 $FOAM_TUTORIALS          ------OpenFOAM的算例目录 $ FOAM _SRC                ------OpenFOAM库的源程序目录 $ FOAM_APP                ------ OpenFOAM的求解器目录 $ FOAM_APPBIN            ------- OpenFOAM的求解器执行文件目录 $ FOAM_RUN                ------用户的算例目录 重要的shell： run    ＝  cd to $FOAM_RUN src    =  cd to $FOAM_SRC app    =  cd to $FOAM_APP util    =  cd to $FOAM_APP/utilities sol    =  cd to $FOAM_APP/solvers tut    =  cd to $FOAM_TUTORIALS 求解器的基本文件结构 appName            包含求解器源代码的目录 +appName.C        求解器主程序  ＋CreateFields.H  场变量的声明和初始化  +Make/          编译指令 +files        编译需要的源程序文件和生成的目标文件 +options      编译选项,如链接库等 appName/appName.C是求解器的主程序 appName/createFields.H声明变量，并从文件中读入初值，如p，物性。 appName/Make/files 所有源程序的名称，一个文件一行，最后一行是目标代码的名称和存放位置，EXE=$(FOAM_USER_APPBIN)/appName appName/Make/options设定查找头文件和库的路径，EXE_INCS,和需要链接的库EXE_LIBS 算例的基本文件结构 case/                        算例目录 +0/                        包含初始和边界条件 +constant/                  包含初次读入后，不随时间变化的数据 +polyMesh/            包含多面体网格数据 +transportProperties/      包含物性数据  +system/                  包含计算控制和离散格式设定 +controlDict            包含计算控制，如时间步长等 +fvSchemes              包含离散格式设定 +fvSolutions            包含代数求解器或SIMPLE，PISO算法设定 具体而言 case/0                      每个需求解的变量需要一个文件设定其初始边界条件 case/constant/polyMesh        网格数据，如owner neighbour points faces boundary case/system/transportProperties  物性数据 case/system/controlDict        设定起始终止时间，时间步长，输出控制 case/system/fvSchemes        设定程序用到的每个微分算子的离散格式 case/system/fvSolution      为每个变量选择代数方程求解器/收敛精度及PISO等算法设定 三．OpenFOAM程序开发的理论知识 作求解开发，必须能写出需要求解的控制方程及其定解条件，并且对于如何求解方程或方程组的步骤已经明确。 这些流体力学、传热学以及相关的理论是必需的，所谓连续介质力学中的数学模型，控制方程和定解条件就是表示它的语言。 在这里是不可能说清楚的，这要看个人的功底了。 四 .OpenFOAM程序开发的最简单的例子 下面采用OpenFOAM来开发一个用户自己的求解器。主要是利用OpenFOAM的标准求解器icoFoam，用户不需要写任何代码，只为为了熟悉OpenFOAM程序开发的环境和步骤。 步骤： 1)    将icoFoam目录拷贝到新的目录 可采用下面的Linux的命令实现： 到OpenFOAM的incompressible目录 cd applications/incompressible cp –r icoFoam myicoFoam 以上只是复制目录icoFoam到新的位置，并且新目录名为myicoFoam cd myicoFoam 进入新的目录，查看一下，可以看到里面的文件和icoFoam中是否一样 2)    原文件改名，并且删除依赖文件 将icoFoam.C改名myicoFoam.C mv icoFoam.C myicoFoam.C 删除依赖文件 rm icoFoam.dep 3)    修改编译文件files和options 进入Make目录，打开files文件    将 icoFoam.C      源程序文件名 EXE = $(FOAM_APPBIN)/icoFoam  可执行文件名 修改为 myicoFoam.C      源程序文件名 EXE = $(FOAM_APPBIN)/myicoFoam  可执行文件名 此例中options不需修改，可以打开看看 EXE_INC =    头文件包含    -I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnInclude EXE_LIBS =  链接库 -lfiniteVolume 4）删除原来的obj文件    rm –rf linuxGccDPOpt cd .. 5）编译  wmake 6) 检验一下  到tutorial目录，检验一下  myicoFoam . cavity 六.OpenFOAM程序开发――例子一：在icoFoam中加入温度场求解 准备： 能量控制方程：  dT/dt+div(den*U*T)=div(a gradT) 在壁面上给定值条件。 需要解决的问题： a）如何创建标量场，T b) 如何创建物性，a c）如何定义温度方程，并求解 d) 如何在算例中设定T和a e)如何设定T的离散格式 f)如何设定T的求解器的收敛标准等 步骤： 1)创建程序需要的新物性和新变量场 打开myicoFoam.C可以看到，程序开始运行时调用CreateFields.H，创建变量场。 打开CreateFields.H，可以看到程序首先从transportProperties文件中读入物性，    Info<< "Reading transportPropertiesn" << endl;    IOdictionary transportProperties    (        IOobject        (            "transportProperties",              从字典文件transportProperties读入 runTime.constant(), //transportProperties文件位于目录runTime.constant()中            mesh,            网格对象                              IOobject::MUST_READ,            IOobject::NO_WRITE        ) );  创建了Iodictionary类型对象 transportProperties    dimensionedScalar nu        //首先读入粘性系数    (        transportProperties.lookup("nu")    );  创建有量纲标量nu，nu通过从字典transportProperties查找”nu”来赋值 可以加上新方程需要的物性    dimensionedScalar DT        //首先读入热扩散率    (        transportProperties.lookup("DT")    ); 创建有量纲标量DT，DT通过从字典transportProperties查找”DT”来赋值 此外还要从createFields中读入p,U场，我们要加入的新的变量场为温度场T，最快的加入温度场的方法是拷贝p场的代码，修改为    Info<< "Reading field Tn" << endl;    volScalarField T    (        IOobject        (            "T",            runTime.timeName(),            mesh,            IOobject::MUST_READ,            IOobject::AUTO_WRITE        ),        mesh    ); 这样，创建了新的vol标量场T，从文件T中读入。 对于T的创建具体解释如下： a)创建了标量场T b)T通过读(IOobject::MUST_READ)在runTime.timeName()目录下名称为“T”的文件创建，在开始计算时，runTime.timeName()是contorlDict中设定的startTime值决定的。 c)T将自动写入(IOobject::AUTO_WRITE)计算结果到runTime.timeName()目录中，runTime.timeName()随迭代是变化的，写入控制由contorlDict中设定。 d)T是定义在mesh对象上的，这意味着T在内部cell上有值internalField，在边界上还需要边界条件，这与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，由于温度场依赖于速度场，可放在PISO循环后面。 #          include "continuityErrs.H"            U -= rUA*fvc::grad(p);                  U.correctBoundaryConditions();       //          Add the temperature equation                fvScalarMatrix Teqn 温度是标量方程            (              fvm::ddt(T)            + fvm::div(phi, T)      要用到界面流量            - fvm::laplacian(DT, T)  扩散项          );              TEqn.solve();          求解 3)编译 wmake 4)在算例中加入新方程的初始和边界条件 4.1拷贝一个cavity算例到mycavity 4.2修改transportProperties字典文件，设定DT cd constant 修改transportProperties文件，前面已提到DT要从该字典文件读入。设定DT=0.002m2/s DT              DT [0 2 -1 0 0 0 0] 0.002; 4.3修改T文件，设定初始值和边界 cd 0 进入0目录 拷贝一个T文件 cp p T 修改T文件为 FoamFile {    version        2.0;    format          ascii;    class          volScalarField;    object          T; } // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // dimensions      [0 0 0 1 0 0 0]; internalField  uniform 300;    初始内部点为300℃    movingWall          { type            fixedValue; value uniform  350.;        边界为350℃    }    fixedWalls          { type            fixedValue; value uniform  300.;        边界为300℃ 5)修改离散格式和代数求解器求解控制文件 A进入system目录 由于温度方程有非稳态项，对流项，扩散项，分别要在ddt，div，laplacian中设置 打开fvSchemes文件，添加 divSchemes {    default        none;    div(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中设置代数求解器选项      T PBiCG    {        preconditioner  DILU;        tolerance        1e-06;        relTol          0;    }; 注意T方程形成的矩阵是非对称的，不要用PCG和DIC 6)运行 myicoFoam . mycavity 七.OpenFOAM程序开发――求解器的详细分析1 进入icoFoam目录 可以看到 createFields.H  icoFoam.C  icoFoam.dep Make/ Make/为wmake编译所需的文件 IcoFoam.C为主程序文件，它包含createFields.H 编辑icoFoam.C 可以看到icoFoam.C首先引入的头文件为fvCFD.H。 所以你可以看到，在编译选项options中 EXE_INC =    -I$(LIB_SRC)/finiteVolume/lnInclude  //fvCFD.H的存放目录 EXE_LIBS =    -lfiniteVolume                  //需要链接的库 找到fvCFD.H,编辑，可以看出这些是主程序必须的类库 #ifndef fvCFD_H #define fvCFD_H #include "parRun.H" #include "Time.H"              时间类 #include "fvMesh.H"            网格类 #include "fvc.H"                fvc类 #include "fvMatrices.H"          fvMatrix类 #include "fvm.H"                fvm类 #include "linear.H" #include "calculatedFvPatchFields.H" #include "fixedValueFvPatchFields.H" #include "adjustPhi.H" #include "findRefCell.H" #include "mathematicalConstants.H" #include "OSspecific.H" #include "argList.H" #ifndef namespaceFoam #define namespaceFoam    using namespace Foam; #endif #endif 再看看icoFoam的程序体,了解一下求解程序的结构 #include "fvCFD.H"        ――――――――――――――――（头文件）                        通常位于main函数前，是程序所需的类的定义 // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // int main(int argc, char *argv[]) {                          ―――――――――――――――（包含文件） #  include "setRootCase.H"   #  include "createTime.H" #  include "createMesh.H" ―――――――――――包含文件通常是程序片断，如创建时间、创建网格等 ―――――――――――――――（求解器代码）―――――― #  include "createFields.H"           需要根据应用，单独写的代码，如"createFields.H"和Main，以及Ueqn，pEqn等    ――――――――――――――――――――――――――――――――――――― #  include "initContinuityErrs.H"                         // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // 。。。。。 } 八.OpenFOAM程序开发――求解器的详细分析2 a.场变量的定义 引用前面的温度场    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/"，量纲可在文件中读 // dimensionedScalar("zero", dimensionSet(1,-1,-3,0,0,0,0), value) ); b.场变量的使用 场变量有定义在内部cell上的值，也有边界上的值 例如给组分限值 Example of a mass fraction limiter used in this project: // Initialize the variable Y_i for use in a loop scalarField& CO2Internal = CO2.internalField();  引用内部点 // Loop for all mesh points  遍历内部点 forAll(CO2, celli) { // Limits the mass fraction to a positive number if (CO2Internal[celli] < 0.0) { CO2Internal[celli] = 0.0; } // Limits the mass fraction to max 1.0 if (CO2Internal[celli] > 1.0) { CO2Internal[celli] = 1.0; } } c.定义输运方程 OpenFOAM 定义方程时要选择一种类型的fvMatrix，有fvScalarMatrix和fvVectorMatrix 离散格式在case/system/fvSchemes.中设定 // Define a ScalarMatrix as a object fvScalarMatrix CO2Eqn 定义系数矩阵 ( fvm::div(phi, CO2)            对流项离散fvm::div - fvm::laplacian(turbulence->nuEff(),CO2)  扩散项离散fvm::div == S_CO2                            源项 ); // Apply underrelaxation to the equation // Under relaxation factors defined in file: fvSolution CO2Eqn.relax();  松弛 CO2Eqn.solve();  求解。 编辑 |  发表于 2009/12/02/08:53  |  1 层  进入评分

even2004      信息：  来自：未填  发贴：1239 贴  积分：244 点 货币：5814 阳光币 注册时间：2008/12/31  资料 好友 消息 引用回复 选择字号91011121415161820253050 回复: 计算结果，以及源代码和算例 http://depositfiles.com/files/1eoaggnj4 编辑 |  发表于 2009/12/02/08:55  |  2 层  进入评分

xiaolu1998      信息： 来自：未填  发贴：3 贴  积分：0 点 货币：106 阳光币 注册时间：2009/12/21  资料 好友 消息  邮件 引用回复 选择字号91011121415161820253050 Re:OpenFOAM的程序开发 支持楼主，不错，认真学习学习， 2)    原文件改名，并且删除依赖文件 将icoFoam.C改名myicoFoam.C mv icoFoam.C myicoFoam.C 删除依赖文件 这里的icoFoam.c文件没找到，希望楼主能留下qq号，能在现请教楼主。 编辑 |  发表于 2009/12/21/00:23  |  3 层  进入评分

xiaolu1998      信息： 来自：未填  发贴：3 贴  积分：0 点 货币：106 阳光币 注册时间：2009/12/21  资料 好友 消息  邮件 引用回复 选择字号91011121415161820253050 Re:OpenFOAM的程序开发 学习了，谢谢楼主 编辑 |  发表于 2010/01/03/14:49  |  4 层  进入评分

aihuaok2004      信息： 来自：未填  发贴：1 贴  积分：0 点 货币：102 阳光币 注册时间：2010/02/17  资料 好友 消息 引用回复 选择字号91011121415161820253050 Re:OpenFOAM的程序开发 学习了，谢谢楼主 编辑 |  发表于 2010/02/17/09:14  |  5 层  进入评分

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