1 明确目标——为啥费老大劲儿学习OpenFOAM
学习OpenFOAM主要出于课题需要，希望实现以下几个目标：
l 【 】学会用SnappyHexMesh生成高质量网格；
l 【 】学习使用OpenFOAM自带的 Immersed Boundary Method （IBM）处理复杂几何边界；
l 【 】实现LES算例；
l 【 】实现CFD的批处理以完成大量算例。
2 前期准备——在Win10上安装OpenFOAM
这部分主要参CFD大佬【流沙】提供的方法，详情见网页：
https://www.cnblogs.com/LSCAX/p/7074326.html
出于方便考虑，直接在Github上下载并安装BlueCFD，详情见下载页：
https://github.com/blueCFD/Core/releases/tag/blueCFD-Core-2017-2
目前已经更新到 2017-2 版，搭载OpenFOAM 5.0 版本，基本能满足使用要求。
3 入门算例学习—— lid-driven cavity flow
3.1 问题描述
一开始不打算写问题描述，在找lid-driven cavity flow一词的中文翻译的时候才发现也有大佬学习这个算例，而且这个算例能说明湍流的特征，也有相关的实验支持，所以添加问题描述这个环节，关于这部分的知识主要参考网页：
【陈十七】cavity算例https://blog.****.net/weixin_39124457/article/details/88926300
lid-driven cavity flow 翻译成中文就是 顶盖驱动方腔流 （参考知网翻译），理想模型见 REF _Ref12095029 \h 图 3‑1
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003000390035003000320039000000
。当顶盖以不同的速度运动时，方腔内的流体会呈现不同的流动特征。方腔流可以反映出不同雷诺数条件下的流场特性， 并且流场中包含了涡旋、二次流、复杂三维流动、不稳定层流、过渡流和紊流等多种现象， 成为研究复杂紊动流场最为理想的物理模型， 也是验证数值模拟方法准确度和效率的标准（张金凤，2015）。
图 3-1 顶盖驱动方腔流动模型，左为OpenFOAM Tutorial给出的计算模型，右图为实验模型
在OpenFOAM中求解这个问题主要分为三个环节：前处理（）——求解——后处理。首先将官方指南设置好的算例放入RUN所在的文件夹下，在BlueCFD终端中输入：
cd $FOAM_RUN cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/cavity/cavity . cd cavity
在cavity下面有这样三个文件夹。
图 STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 2 cavity文件夹下所包含的内容
输入以下代码也能显示cavity文件夹下的目录结构，结果如 REF _Ref12108237 \h 图 3‑3
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003100300038003200330037000000
所示：
tree $FOAM_RUN/cavity
图3-3 在BlueCFD终端下查看cavity文件夹下所包含的内容
一般case文件夹包括三个子文件夹，每部分的内容分别是：
0：存储物理量的初始值
——p：存储初始时刻的压力
——U：存储初始时刻的速度
constant：存储网格参数、边界条件以及物理属性（如材料参数、湍流参数等）
——polyMesh：blockMesh生成的网格文件
——transportProperties：物理特性
system：存储求解控制参数
——blockMeshDict：blockMesh网格控制文件
——controlDict：求解时间步的控制参数和输出控制参数
——fvScheme：离散格式
——fvSlotion：算法格式
上述内容参考：【流沙】的博客http://blog.sina.com.cn/s/blog_599d8faa0102wq09.html
3.2 前处理（pre-processing）
OpenFOAM默认按照三维笛卡尔坐标运行，lid-driven cavity的算例是二维的运动，所以通过设置 empty 的边界条件实现二维的计算。
3.2.1 创建几何并生成网格
本例采用OpenFOAM自带的网格生成器blockMesh实现，包含网格信息的文件名为blockMeshDict，放在目录cavicity/system下面。
图 STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 4 blockMeshDict的存放位置
在BlueCFD终端输入以下代码可以查看文件的内容：
cat $FOAM_RUN/cavity/system/blockMeshDict
在终端显示结果如下：
图 STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 5 blockMeshDict的内容
可以看到blockMeshDict大致包含以下几个部分的内容
1. 软件信息
/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\ | ========= | | | \\ / F ield | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox | | \\ / O peration | Version: 5 | | \\ / A nd | Web: www.OpenFOAM.org | | \\/ M anipulation | | \*---------------------------------------------------------------------------*/ //说明基本信息
2. 基本参数
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
object blockMeshDict;
}
3. 定义缩放比
convertToMeters 0.1; //说明缩放尺寸，即模型中1个几何单位代表0.1m
4. 定义顶点
vertices //定义了立方体的顶点坐标，8个顶点，编号0~7
(
( )
( )
( )
( )
( 0.1)
( 0.1)
( 0.1)
( 0.1)
);
. 定义block和block的网格划分
blocks
(
hex ( ) ( ) simpleGrading ( )
);
//定义了构成block立方体的所有点，x、y和厚度方向分别划分为20、20、1个网格,simpleGrading应该指的是网格的尺寸的比例
6. 定义边
edges ( ); //定义边 edge，这里是体网格，所i有没有edge
7. 定义边界
boundary //定义边界
(
movingWall //定义顶部的运动壁面，外面的名字是边界面的名称
{
type wall; //边界面的类型
faces
(
( ) //由3762四个点构成的面，其中按照顺序以右手法则确定法向量
);
}
fixedWalls
{
type wall;
faces
(
( )
( )
( )
); //定义静止壁面
}
frontAndBack
{
type empty; //定义前面和后面均为empty以实现二维运动
faces
(
( )
( )
);
}
);
8. 定义需要融合的部分
mergePatchPairs ( ); //list of patches to be merged blockMeshDict文件编写好后，在BlueMesh终端输入以下命令即可执行网格生成blockMesh
返回如图3‑6所示结果。
图3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 6 blockMesh生成网格返回的结果
3.2.2 查看网格
建议采用Paraview查看网格划分结果，为了保持Paraview一直打开，所以在调用Paraview的命令后面空格兵添加&符号：
paraFoam &
图 STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 7在Paraview中查看划分的网格
ParaView的使用也不太熟悉，做到这一步的时候真的感觉我是从零学起，哭辽。
注意先选定要绘制的part，点击apply之后再修改绘图的控制选项。
图 STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 8在Paraview中设置显示网格划分的结果
3.2.3 边界设置和初始条件确定
因为整个过程从时刻
开始，所以如前文所述，初始条件放在0这个文件夹下面，包括压力（文件夹p）和速度（文件夹U）。首先看p文件包含的信息，如 REF _Ref12115268 \h 图 3‑9
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003100310035003200360038000000
所示。
图3-9 p文件包含的信息
头文件略去，其余信息分析如下：
1. 量纲
一个7维向量来定义，每一维表示的量纲如 REF _Ref12115915 \h 表 3‑1
08D0C9EA79F9BACE118C8200AA004BA90B02000000080000000D0000005F00520065006600310032003100310035003900310035000000
所示：
表3-1 OpenFOAM的量纲
|
维度 |
物理量 |
SI单位 |
USCS单位 |
|
1 |
质量（Mass） |
Kg |
lbm |
|
2 |
长度（Length） |
m |
ft |
|
3 |
时间（Time） |
s |
s |
|
4 |
温度（Temperature） |
K |
ºR |
|
5 |
物质的量（Quantity） |
mol |
mol |
|
6 |
电流（Current） |
A |
A |
|
7 |
发光强度（Luminous intensity） |
cd |
cd |
这个p文件里的量纲为m2s-2，即为运动压力（Kinematic pressure）的量纲
dimensions [ - ]; //定义量纲，这里指运动压力
2. 场的初始条件
流场的每个控制点的数值，这里定义为均匀（uniform）并取为0
internalField uniform ; //场的初始值，即流场的每个控制点值，这里定义为均匀（uniform）并取为0
3. 边界的初始条件
boundaryField
{
movingWall
{
type zeroGradient;
}
fixedWalls
{
type zeroGradient; //定义压力梯度为零，即法向压力梯度为零
}
frontAndBack
{
type empty; //empty使流动为二维
}
}
速度场的初始条件也是类似的：
dimensions
dimension [ - ]; //速度的量纲 m/s
internalField uniform ( ); //定义速度场的初始值，注意速度场是个矢量，所以是定义的是向量 boundaryField //定义的边界的速度 { movingWall { type fixedValue; value uniform ( ); //和顶盖的移动速度一致 } fixedWalls { type noSlip; //无滑移壁面边界条件 } frontAndBack { type empty; //设置前后为empty来实现二维流动 } }
3.2.4 物理性质
物理性质通常定义在命名为 xxProperties 的文件中，对于本问题只需要定义运动粘度所以放在文件 tansportProperties 中，定义的代码如下：
nu [ - ] 0.01; //定义运动粘度nu，前面的向量为量纲
注意在这里，考虑雷诺数为10，根据
那么运动粘度取值为0.01
3.2.5 时间控制
时间步的控制及相关的输出文件在system文件夹下的controlDict文件中。开始和结束时间是必须设定的，比如设定开始时间为0，这意味着OpenFOAM需要从名为0的文件夹中读取数据。这里将startFrom指定为startTime，并设定值为0，将stopAt指定为endTime，且指定为0.5s（即顶盖完整地划过10次）。
时间步长的关键词为deltaT，可以通过库朗数来确定，库朗数定义为：
其中
表示速度方向的网格尺寸，
为时间，需要保证在每一处地方
，考虑最极端的情况有：
MACROBUTTON AMMPlaceRM \* MERGEFORMAT SEQ AMEqn \h \* MERGEFORMAT (
SEQ AMEqn \c \* Arabic \* MERGEFORMAT 2)
反算得到
。指定OpenFOAM按照一定的时间步输出，那么就会在创建相应的时间步的文件夹如0，1.0，2.0等，将相关文件保存在其中。
application icoFoam; //求解器选择icoFoam startFrom startTime; //指定开始的关键词 startTime ; //指定开始时间 stopAt endTime; //指定结束的关键词 endTime 0.5; //指定结束的时间 deltaT 0.005; //指定时间步长 writeControl timeStep; //指定文件输出的方式：按照时间步输出 writeInterval ; //每20个时间步输出一个结果 purgeWrite ; writeFormat ascii; writePrecision ; writeCompression off; timeFormat general; timePrecision ; runTimeModifiable true;
3.2.6 离散和求解器的设置（Discretisation and linear-solver settings）
若采用有限体积法，则离散格式的设定在system文件夹下的fvSchemes文件中，线性求解器和误差等算法格式的指定在system文件夹下的fvSolution文件中确定。对于本问题，当考虑为不可压缩流体时候，采用PISO算法，需要注意的本文采用的是相对压力（运动压力），所对需要指定pRefValue和pRefCell两个关键词。
3.3 求解（Running an application）
当前处理的每个部分都设置好之后，求解实质上就调用求解器，对于低层流，这里调用icoFoam，并指定相应的算例文件：
icoFoam -case $FOAM_RUN/cavity
图 STYLEREF 1 \s 3‑ SEQ 图 \* ARABIC \s 1 10计算结束后生成0.1~0.5结果的文件夹
3.4 后处理（Post-processing）
后处理也是熟悉Paraview的一个重要过程
1. 点击apply，确保cavity.foam左边地小眼睛是蓝色的。
2. 选择要编辑的物理量，点击Edit，在右边可以调整绘图的选项。
point icon和 cell icon 的区别：
point icon以每个单元的值插值后绘制
cell icon 每个单元只有赋一个值
3. 【略，妈的paraview好难上手】
3.5 加密网格
3.5.1 在原来算例的基础上创建新的算例
首先创建cavityFine的算例文件夹，并将原始cavity的文件的设置文件constant和system文件夹拷贝到新的算例文件夹下
mkdir cavityFine
cp -r cavity/constant cavityFine
cp -r cavity/system cavityFine
cd cavityFine
3.5.2 修改blockMesh文件
修改blockMesh将网格尺寸变为（40，40，1），，保存文件后重新输入命令blockMesh即可生成需要的网格。
！！！注意！！！我发现在blueCFD中，当修改网格文本之后，首先要退回到run文件夹下重新进入cavityFine这个时候才能读取更新后的网格文本。
3.5.3 把粗网格的结果映射到细网格上
mapFields命令能够将一个几何的场结果映射到另一个几何上面，本例中粗细网格的几何和边界都是一样的，因此在调用mapFields命令时输入的参数选项为-consistent，并将粗网格的最后的结果映射到细网格开始的时刻（细网格中controlDict的startTime相应地要改为0.5）：
mapFields $FOAM_RUN/cavity -consistent -sourceTime ‘latestTime’
由于网格尺寸减小了，根据库朗数控制的时间步长也要调整为0.0025s，将输出控制从timeStep改为从runTime输出，每0.1s输出一次结果，因此writeInterval改为0.1。注意因为cavityFine的startTime改为0.5了，所以endTime应该改为0.7s。
//… application icoFoam; startFrom startTime; startTime 0.5; stopAt endTime; endTime 0.7; deltaT 0.0025; writeControl runTime; writeInterval 0.1; //…
可以看到运行icoFoam后，从0.5s开始算到了0.7s，且计算过程没有输入到blueCFD的终端上，而是放在了日志文件中：
计算的结果可以看到从0.5s（20网格）到0.7s（40网格）的变化过程
