OpenFOAM教程

一、OpenFOAM介绍

OpenFOAM是一款自由开源的计算流体力学软件，支持多种算法和物理模型。它使用有限体积法进行数值模拟，可以处理包括湍流、化学反应、多相流和热传导等复杂问题。除了提供核心库文件外，OpenFOAM还提供了丰富的前后处理工具，方便用户进行模拟数据的可视化和分析。

OpenFOAM可以在Linux、Windows和MacOS等操作系统上运行，因此，用户不用担心系统兼容性问题。此外，OpenFOAM还提供了详细的文档和教程，使得用户可以更好地掌握软件使用技巧。

下面我们将介绍OpenFOAM的安装、入门和高级应用。

二、安装

首先，确保你的操作系统中已安装OpenFOAM所需依赖项。具体而言，需要安装g++、flex、bison、make、zlib、OpenMPI、libreadline-dev等。在Ubuntu上可以使用以下命令安装：

sudo apt-get install g++ flex bison make zlib1g-dev openmpi-bin libopenmpi-dev libreadline-dev

安装完成后，需要下载OpenFOAM源代码并解压。解压后，在解压目录下执行以下命令：

export WM_PROJECT_DIR=`pwd`
. $WM_PROJECT_DIR/etc/bashrc

这里需要注意，OpenFOAM的环境变量设置是非常重要的。如果你需要在每次打开终端时自动设置环境变量，可以将上述命令添加到~/.bashrc文件中。

三、入门教程

1. 计算圆柱绕流

这是一个简单的二维圆柱绕流计算，用于展示OpenFOAM的基本使用方法。在此之前，需要先了解OpenFOAM网格划分工具blockMesh和求解器icoFoam的基本用法。

首先，在终端中执行以下命令，生成网格文件：

blockMesh

网格文件的格式为OpenFOAM原生格式，后缀名为.polyMesh。接着，使用icoFoam求解器求解流场数据，并生成VTK格式的结果文件：

icoFoam
foamToVTK

其中，foamToVTK是后处理工具，用于将OpenFOAM格式的结果文件转换为VTK格式。

2. 热传导问题

这是一个涉及热传导的三维计算，用于展示OpenFOAM的多物理场模拟能力。

首先，在终端中执行以下命令，生成网格文件：

blockMesh

接下来，使用buoyantPimpleFoam求解器求解温度场和速度场，并生成VTK格式的结果文件：

buoyantPimpleFoam
foamToVTK

其中，buoyantPimpleFoam是一个多物理场求解器，可以用于求解涉及温度、速度和压力的流动问题。

四、高级应用

1. 自定义模型

OpenFOAM提供了丰富的物理模型，但有些特定的问题可能需要自定义模型。下面介绍如何使用用户自定义模型求解湍流问题。

首先，在用户自定义模型目录下创建源文件和头文件：

mkdir $FOAM_USER_LIBBIN/turbulenceModels/incompressible/myModel
cd $FOAM_USER_LIBBIN/turbulenceModels/incompressible/myModel
cp $FOAM_SRC/turbulenceModels/incompressible/myLaunderSharma/myLaunderSharma.C .
cp $FOAM_SRC/turbulenceModels/incompressible/myLaunderSharma/myLaunderSharma.H .

这里以Launder-Sharma模型为例，创建了一个名为myLaunderSharma的自定义模型。假设我们对该模型进行了修改，现在希望使用这个自定义的湍流模型求解问题。在处理过程中，需要执行以下命令：

export FOAM_MODEL=myLaunderSharma
buoyantPimpleFoam
foamToVTK

这里FOAM_MODEL环境变量指定了使用的湍流模型。

2. 网格优化

网格优化是提高数值模拟精度的重要手段，特别是在处理复杂几何结构时。OpenFOAM提供了多种网格优化工具，下面以snappyHexMesh为例介绍如何进行网格优化。

首先，需要准备一个初始网格文件和一个描述几何形状的文件。以blockMesh生成的网格文件为例，可以将其转换为OpenFOAM原生格式并保存为.blockMesh文件。然后，在终端中执行以下命令：

cp -r $FOAM_TUTORIALS/mesh/snappyHexMesh/motorBike $PWD
rename 's/motorBike/mycase/' motorBike*
cd mycase
blockMesh
snappyHexMesh

这里，将参考案例motorBike复制到当前目录下，并修改名称为mycase。然后执行blockMesh生成网格，随后使用snappyHexMesh进行网格优化。

总结

本文介绍了OpenFOAM的安装、入门和高级应用。在使用OpenFOAM进行数值模拟时，需要熟练掌握其基本使用方法和多物理场模拟能力。此外，网格优化和自定义模型等高级应用也是提高模拟精度的必要手段。

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