【OpenFOAM案例】02 自己动手
前言：很多人说OpenFOAM很难，要啃上很多的理论书籍，什么流体力学、计算流体力学、矩阵理论、线性代数、数值计算、C++程序设计神马的，看看光这一堆书就能吓倒绝大多数的人。其实我们并不一定要从这些基础的东西入手，我觉得要学习使用一个工具，首先使它运转起来才是最靠谱的。通过大量实例练习，做多了自然就能有所感悟。
前面讲到了利用icoFoam求解器计算弯曲管道中流体混合问题。现在来自己动手做一个简单的案例，还是利用icoFoam求解器。icoFoam求解器计算的是瞬态不可压层流流动问题，是OpenFOAM中最简单的求解器之一。
关于此求解器内部实现原理，我们以后再慢慢剖析，一开始就讲一大堆的公式推导会吓坏小朋友的。闲话少说，我们来开始我们的案例。
案例描述
一个非常简单的管道流动问题。我们不强调问题多复杂，只关注OpenFOAM解决问题的思路。
流体流经一个直径0.01m，长度0.5m的管道，计算其内部流场。流体介质为水，密度1000kg/m3，动力粘度0.001 pa.s，入口流速0.1 m。
雷诺数：
几何及网格如图所示。在ICEM CFD中创建几何并划分网格，各边界命名如图所示。生成并输出网格pipe.msh。
OpenFOAM准备
本案例采用icoFoam求解器进行求解。因此先从tutorials文件夹中拷贝一个icoFoam模板，我们这里还是使用前面的elbow文件夹。
在此之前，先创建一个工作文件夹。我用命令在run路径下创建文件夹pipe。
mkdir $FOAM_RUN/pipe
之后利用命令copy一个elbow文件夹到pipe下面。
cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/elbow/ $FOAM_RUN/pipe
这样的话，pipe文件夹下就有了elbow文件夹。如果有洁癖的话，可以把elbow文件夹命名为pipe，或者把elbow文件夹下的文件copy到pipe文件夹下，然后删除掉elbow。这里懒得折腾，直接进入到elbow路径下，并把前面生成的pipe.msh文件拷贝到elbow文件夹下。
网格转换
进入到elbow目录下，利用命令：
fluentMeshToFoam pipe.msh
此命令将网格pipe.msh转化为OpenFOAM能够识别的网格文件。
elbow目录如下所示：
├── 0
│ ├── p
│ └── U
├── Allclean
├── Allrun
├── constant
│ ├── polyMesh
│ │ ├── boundary
│ │ ├── cellZones
│ │ ├── faces
│ │ ├── faceZones
│ │ ├── neighbour
│ │ ├── owner
│ │ ├── points
│ │ └── pointZones
│ └── transportProperties
├── elbow.msh
├── pipe.msh
└── system
├── controlDict
├── foamDataToFluentDict
├── fvSchemes
└── fvSolution
4 directories, 19 files
此时可以查看polyMesh文件夹下的boundary文件。文件内容为：
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class polyBoundaryMesh;
location "constant/polyMesh";
object boundary;
}
// * * * * * * * * * * * * * * //
3
(
INLET
{
type patch;
nFaces 288;
startFace 210864;
}
OUTLET
{
type patch;
nFaces 288;
startFace 211152;
}
WALL
{
type wall;
inGroups 1(wall);
nFaces 7968;
startFace 211440;
}
)
检查文件边界名称分别为：INLET、OUTLET以及WALL。这些是我们在ICEM CFD中定义的Part名称。此文件不需要修改。
设置p文件与U文件
0文件夹中包含有p文件和U文件。
先利用命令打开p文件，删除一些没用的边界，修改其内容为：
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volScalarField;
object p;
}
// * * * * * * * * * * * * //
dimensions [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField uniform 0;
boundaryField
{
INLET
{
type zeroGradient;
}
OUTLET
{
type fixedValue;
value uniform 0;
}
WALL
{
type zeroGradient;
}
}
再打开U文件，修改其内容为：
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volVectorField;
object U;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];
internalField uniform (0 0 0);
boundaryField
{
INLET
{
type fixedValue;
value uniform (0.1 0 0);
}
OUTLET
{
type zeroGradient;
}
WALL
{
type noSlip;
}
}
这里修改INLET边界的速度为x方向0.1 m/s。
修改transportProperties文件
此文件中设置一些常数项，本案例只需要设置运动粘度即可。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
location "constant";
object transportProperties;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
nu [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-6;
注意这里设置的是运动粘度，其量纲单位是m2/s。
设置controlDict文件
打开controlDict文件
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
location "system";
object controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * //
application icoFoam;
startFrom latestTime;
startTime 0;
stopAt endTime;
endTime 20;
deltaT 0.05;
writeControl timeStep;
writeInterval 20;
purgeWrite 0;
writeFormat ascii;
writePrecision 6;
writeCompression off;
timeFormat general;
timePrecision 6;
runTimeModifiable true;
functions
{
#includeFunc residuals
}
计算
回到elbow目录下，运行命令：
icoFoam
也可以用并行计算：
mpiexec -n 6 icoFoam
利用6个cpu进行计算。
此时可以利用命令监测残差：
foamMonitor -l postProcessing/residuals/0/residuals.dat
注意：此方法是建立在已安装gnuplot的基础之上，否则是看不到残差的。我的机器上blueCFD使用此命令出错，但是在虚拟机中用OpenFOAM没有任何问题，我不清楚是gnuplot没安装好还是其他什么原因。看不到残差曲线的，将就着看输出的数据好了。
后处理
输入命令：
paraFoam
软件自动启动ParaView，可观察剖面上速度分布云图，如图所示。
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