【OpenFOAM案例】01 elbow

本案例演示利用OpenFOAM的icoFoam求解器计算弯曲管道中的混合流动问题。

1 拷贝tutorials文件

启动终端，且拷贝tutorials文件夹中的文件。利用命令:

cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/elbow/ $FOAM_RUN

将案例文件拷贝到了$FOAM_RUN路径中。

此时可以利用命令查看目录结构:

tree $FOAM_RUN/elbow

查询结果如下图所示。

$ tree $FOAM_RUN/elbow
/home/ofuser/blueCFD/ofuser-of4/run/elbow
├── 0
│   ├── p
│   └── U
├── Allclean
├── Allrun
├── constant
│   └── transportProperties
├── elbow.msh
└── system
    ├── controlDict
    ├── foamDataToFluentDict
    ├── fvSchemes
    └── fvSolution
3 directories, 10 files

包含三个文件夹：0、constant以及system。

2 转换网格

案例中的网格使用的是msh文件，这里要通过命令将其转化为openfoam网格。

采用命令：

cd $FOAM_RUN/elbow
fluentMeshToFoam elbow.msh

如下图所示。

注：Fluent提供了众多的工具用于将外部网格文件转换为OpenFOAM网格

3 case结构

OpenFOAM的case组织结构如如所示。

包含三个基本文件夹：

• 0：存储物理量的初始值
• 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）
• system：存储一些求解控制参数

4 设置0文件夹

本案例中0文件夹中包含两个文件：p文件与U文件，分别设置初始时刻的压力与速度。

4.1 修改p文件

利用文本编辑器打开p文件。在blueCFD中可以使用命令(先进入0目录，然后用nano打开p文件)：

cd 0
nano p

注意：在不同的linux系统中可以使用不同的文本编辑器，如在ubuntu系统中，可以使用gedit、nano或vi

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
| =========                 |                                                 |
| \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
|  \\    /   O peration     | Version:  4.x                                   |
|   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |
|    \\/     M anipulation  |                                                 |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    object      p;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

dimensions      [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField   uniform 0;
boundaryField
{
    wall-4
    {
        type            zeroGradient;
    }

    velocity-inlet-5
    {
        type            zeroGradient;
    }

    velocity-inlet-6
    {
        type            zeroGradient;
    }

    pressure-outlet-7
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 0;
    }

    wall-8
    {
        type            zeroGradient;
    }

    frontAndBackPlanes
    {
        type            empty;
    }
}

// ************************************************************************* //

文件内容：

• 压力单位是m2/s2。OpenFOAM不可压缩求解器中压力定义为单位质量的压力。即压力与密度的比值。
• 量纲矩阵：[质量 长度 时间 温度 物质的量]
• internalField关键字定义的是求解区域中的物理量
• 边界类型：zeroGradient、fixedValue及empty。

关于OpenFOAM中的边界类型：

• zeroGradient：边界物理量梯度为0。（Neumann边界）
• fixedValue：边界物理量为定值。（Direchlet边界）
• empty：在利用2D模型模拟3D情况时，侧边同城设定为empty边界，在计算过程中，此边界并不参与求解。

当fixedvalue的值与internalField的值相同时，fixedValue边界与zeroGradient边界等效。

4.2 U文件

U文件中指定边界速度值。利用文本编辑器打开U文件。

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
| =========                 |                                                 |
| \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
|  \\    /   O peration     | Version:  4.x                                   |
|   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |
|    \\/     M anipulation  |                                                 |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volVectorField;
    object      U;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

dimensions      [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField   uniform (0 0 0);

boundaryField
{
    wall-4
    {
        type            noSlip;
    }

    velocity-inlet-5
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform (1 0 0);
    }

    velocity-inlet-6
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform (0 3 0);
    }

    pressure-outlet-7
    {
        type            zeroGradient;
    }

    wall-8
    {
        type            noSlip;
    }

    frontAndBackPlanes
    {
        type            empty;
    }
}

// ************************************************************************* //

文件中指定边界velocity-inlet-5的速度为x方向1m/s，velocity-inlet-6边界速度为y方向3m/s。

本案例中U文件不需要修改。

5 constant目录

constant目录下保存了网格数据与物性参数等。

├── polyMesh
│   ├── boundary
│   ├── cellZones
│   ├── faces
│   ├── faceZones
│   ├── neighbour
│   ├── owner
│   ├── points
│   └── pointZones
└── transportProperties

1 directory, 9 files

本案例中的网格来自于外部转化，因此不需要修改polyMesh文件夹中的内容。

transportProperties文件中存储了传输属性参数，用文本文件打开来看。

nano transportProperties

此文件的内容：

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
| =========                 |                                                 |
| \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
|  \\    /   O peration     | Version:  4.x                                   |
|   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |
|    \\/     M anipulation  |                                                 |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "constant";
    object      transportProperties;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 0.01;

// ************************************************************************* //

此文件中只是定义了粘度为0.01 m2/s。在不可压缩流动中，只需要定义此参数。

6 system目录

system目录下包含四个文件。

.
├── controlDict
├── foamDataToFluentDict
├── fvSchemes
└── fvSolution

0 directories, 4 files

• fvShceme：该文件中定义了求解过程中所采用的各种离散格式。
• fvSolution：该文件包含压力速度耦合方法、用于求解差分量的数值方法，以及收敛残差等。
• controlDict：此文件中定义了各种求解控制参数，如时间步长、文件保存间隔等。
• foamDataToFluentDict：此文件只有当使用了fluentMeshToFoam命令才会出现，一般情况下不用修改。

本案例需要关注的是文件controlDict。用文本文件打开此文件，修改endTime为75。其他参数保持默认。

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
| =========                 |                                                 |
| \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox           |
|  \\    /   O peration     | Version:  4.x                                   |
|   \\  /    A nd           | Web:      www.OpenFOAM.org                      |
|    \\/     M anipulation  |                                                 |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

application     icoFoam;

startFrom       latestTime;

startTime       0;

stopAt          endTime;

endTime         75;

deltaT          0.05;

writeControl    timeStep;

writeInterval   20;

purgeWrite      0;

writeFormat     ascii;

writePrecision  6;

writeCompression off;

timeFormat      general;

timePrecision   6;

runTimeModifiable true;

// ************************************************************************* //

7 求解计算

在case路径下输入命令：

icoFoam

计算自动进行，直至求解完成。

8 计算后处理

输入命令：

paraFoam

系统启动paraView进行后处理。

速度分布如图所示。

压力分布如图所示。