OpenFOAM教程

一、OpenFOAM介紹

OpenFOAM是一款自由開源的計算流體力學軟體，支持多種演算法和物理模型。它使用有限體積法進行數值模擬，可以處理包括湍流、化學反應、多相流和熱傳導等複雜問題。除了提供核心庫文件外，OpenFOAM還提供了豐富的前後處理工具，方便用戶進行模擬數據的可視化和分析。

OpenFOAM可以在Linux、Windows和MacOS等操作系統上運行，因此，用戶不用擔心系統兼容性問題。此外，OpenFOAM還提供了詳細的文檔和教程，使得用戶可以更好地掌握軟體使用技巧。

下面我們將介紹OpenFOAM的安裝、入門和高級應用。

二、安裝

首先，確保你的操作系統中已安裝OpenFOAM所需依賴項。具體而言，需要安裝g++、flex、bison、make、zlib、OpenMPI、libreadline-dev等。在Ubuntu上可以使用以下命令安裝：

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

安裝完成後，需要下載OpenFOAM源代碼並解壓。解壓後，在解壓目錄下執行以下命令：

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

這裡需要注意，OpenFOAM的環境變數設置是非常重要的。如果你需要在每次打開終端時自動設置環境變數，可以將上述命令添加到~/.bashrc文件中。

三、入門教程

1. 計算圓柱繞流

這是一個簡單的二維圓柱繞流計算，用於展示OpenFOAM的基本使用方法。在此之前，需要先了解OpenFOAM網格劃分工具blockMesh和求解器icoFoam的基本用法。

首先，在終端中執行以下命令，生成網格文件：

blockMesh

網格文件的格式為OpenFOAM原生格式，後綴名為.polyMesh。接著，使用icoFoam求解器求解流場數據，並生成VTK格式的結果文件：

icoFoam
foamToVTK

其中，foamToVTK是後處理工具，用於將OpenFOAM格式的結果文件轉換為VTK格式。

2. 熱傳導問題

這是一個涉及熱傳導的三維計算，用於展示OpenFOAM的多物理場模擬能力。

首先，在終端中執行以下命令，生成網格文件：

blockMesh

接下來，使用buoyantPimpleFoam求解器求解溫度場和速度場，並生成VTK格式的結果文件：

buoyantPimpleFoam
foamToVTK

其中，buoyantPimpleFoam是一個多物理場求解器，可以用於求解涉及溫度、速度和壓力的流動問題。

四、高級應用

1. 自定義模型

OpenFOAM提供了豐富的物理模型，但有些特定的問題可能需要自定義模型。下面介紹如何使用用戶自定義模型求解湍流問題。

首先，在用戶自定義模型目錄下創建源文件和頭文件：

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 .

這裡以Launder-Sharma模型為例，創建了一個名為myLaunderSharma的自定義模型。假設我們對該模型進行了修改，現在希望使用這個自定義的湍流模型求解問題。在處理過程中，需要執行以下命令：

export FOAM_MODEL=myLaunderSharma
buoyantPimpleFoam
foamToVTK

這裡FOAM_MODEL環境變數指定了使用的湍流模型。

2. 網格優化

網格優化是提高數值模擬精度的重要手段，特別是在處理複雜幾何結構時。OpenFOAM提供了多種網格優化工具，下面以snappyHexMesh為例介紹如何進行網格優化。

首先，需要準備一個初始網格文件和一個描述幾何形狀的文件。以blockMesh生成的網格文件為例，可以將其轉換為OpenFOAM原生格式並保存為.blockMesh文件。然後，在終端中執行以下命令：

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

這裡，將參考案例motorBike複製到當前目錄下，並修改名稱為mycase。然後執行blockMesh生成網格，隨後使用snappyHexMesh進行網格優化。

總結

本文介紹了OpenFOAM的安裝、入門和高級應用。在使用OpenFOAM進行數值模擬時，需要熟練掌握其基本使用方法和多物理場模擬能力。此外，網格優化和自定義模型等高級應用也是提高模擬精度的必要手段。