基于OpenFOAM求解器二次开发

OpenFOAM(Open Field Operation and Manipulation)是一个开源的计算流体动力学(CFD)软件包。它提供了各种模拟和建模工具,用于研究和解决复杂的流体流动问题。

OpenFOAM提供了一个强大的求解器库,可以用于模拟各种流体流动现象,如湍流、多相流、传热等。它采用有限体积方法,将物理域离散成小的体积单元,并解析守恒方程。OpenFOAM还提供了灵活的求解器设置和边界条件定义,使用户能够针对特定问题进行自定义模拟。

但是,在使用已有OpenFOAM求解器针对特定问题进行求解时,并不能保证求解算法一定适合该问题的解决,因此本文以投影法为例,简单介绍OpenFOAM求解器自定义编辑逻辑。

1.投影法求解原理

投影法是求解不可压缩N-S方程的常用方法之一,对于二维不可压缩N-S方程以及连续性方程如公式(1)。

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 (1)

投影法原理可以分为以下三步,将时间推进分成三个子步,在中间步解出压力,最后推导出速度。首先需要确定时间离散格式,这里时间离散化采用显式欧拉格式,则离散方程如(2)所示。

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(2)

将公式(2)拆分,引入速度中间量获得方程组(3)、(4)。

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(3)

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(4)

公式(3)通过显式欧拉格式得到速度中间量U*。公式(4)并不满足连续性方程,对两边求散度,得:

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(5)

其中Ut+△t满足连续性方程:

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(6)

化简得到Pt+△t:

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(7)

最终回带公式(4),获得Ut+△t:

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(8)

通过以上操作,可以获得下一时间步的速度、压力信息,进而不断迭代最终计算出结果。

2.创建自定义 OpenFOAM 求解器的一般步骤:

复制现有求解器:

在 OpenFOAM 中,通常会从一个现有的求解器开始。选择与想要解决的问题类型最接近的现有求解器,然后将其复制到一个新目录中,以便可以进行修改。本文将以icoFoam求解器作为模板,根据上述投影法公式对求解器相关文件进行修改。

以OpenFOAM-10为例,用户可以通过OpenFOAM-10/applications/solvers/incompressible/icoFoam路径找到OpenFOAM提供的icoFoam求解器文件。

修改求解器:

将icoFoam求解器文件夹复制到算例文件夹后,需要修改自定义求解器代码的目录。通常,可以将该目录放在 user 目录中,防止避免自定义求解器对系统自带的求解器操作的覆盖。本文对icoFoam/Make文件夹下files文件进行修改,将icoFoam求解器的名称修改为myicoFoam。

此处将第三行代码EXE = $(FOAM_USER_APPBIN)/myicoFoam末尾名称进行更换。

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完成上述步骤后,进行修改求解器源代码文件:

打开icoFoam文件夹下icoFoam.C文件,对理论公式进行修改。

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修改完成后,需打开同一文件夹下createFields.H文件,修改变量信息,以确保公式中变量规范。

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编译自定义求解器:

确认无误后,即可使用 wmake 命令编译你的自定义求解器。在求解器目录终端中运行:wmake

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3.使用自定义求解器进行运算

使用自定义求解器对算例进行运算之前,需要对算例进行调试,进行一些修改,以便计算进行。

本文以elbow为例进行运算。完成网格绘制、边界条件设定、求解迭代设置等内容后,即可在终端中使用myicoFoam求解器进行求解。

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通过简单运算,可以获得基于投影法的速度、压力场结果。

4.小结

本文从基础理论出发,基于投影法对OpenFOAM中的icoFoam求解器进行修改,并完成elbow算例计算,得到的速度场、压力场精度较低但是符合仿真规律。文章仅作为入门指导,具体算例方法需要根据实际情况进行自定义修改,希望本文能够给您提供帮助。

### OpenFOAM 燃烧模拟的实现方法与使用教程 OpenFOAM 是一个开源计算流体力学 (CFD) 工具箱,提供了多种求解器和模型来处理复杂的燃烧问题。以下内容将详细介绍 OpenFOAM 中燃烧模拟的实现方法及相关的使用教程。 #### 1. XiFoam 求解器的应用 XiFoam 是 OpenFOAM 中用于部分预混/可压缩预混燃烧的求解器。它结合了湍流建模和化学反应动力学,适用于研究燃烧室内的复杂流动和燃烧过程。用户可以通过设置初始条件、边界条件以及化学反应机制来进行模拟[^1]。例如,在立方燃烧室案例中,可以加载仿真文件并运行至指定时间步长(如 15ms),以观察燃烧过程中的物理现象。 #### 2. 燃烧模型的二次开发 为了满足特定需求或改进现有模型,OpenFOAM 支持燃烧模型的二次开发。通过扩展或修改现有的代码结构,可以实现更精确的数值预测。例如,引入实验数据验证新开发模型的准确性,并将其应用于复杂场景,如工业燃烧器或发动机燃烧室[^2]。这种开发不仅限于理论推导,还涉及实际编程技巧和并行计算能力的提升。 #### 3. 多相流与燃烧的耦合 在某些燃烧场景下,需要考虑多相流的影响,例如气液两相流。OpenFOAM 提供了 interfaceProperties 和 dragModel 等类来描述界面张力和相间传质等现象。这些功能对于理解燃料喷射、雾化及其后续燃烧过程至关重要[^3]。开发者可以根据具体问题定制相应的物理模型,从而提高模拟精度。 #### 4. FGM 模型的实现 FGM (Flamelet Generated Manifolds) 模型是一种高效的方法,用于捕捉湍流-化学相互作用下的燃烧特性。该模型假设多维火焰可由一维火焰集合表示,并通过存储和检索技术加速计算。此外,引入反应进度变量可以帮助分析不稳定过程,例如自燃现象[^4]。以下是基于 OpenFOAM 实现 FGM 模型的基本框架: ```cpp // 定义混合分数和反应进度变量 volScalarField Z("Z", ...); volScalarField progressVariable("progressVariable", ...); // 设置化学反应机制 combustionModel->correct(); // 更新湍流场 turbulence->correct(); ``` 以上代码片段展示了如何初始化关键变量并调用相关函数完成一次迭代计算。 #### 5. 学习资源与实践建议 - **官方文档**:查阅 OpenFOAM 官方网站提供的用户指南和技术手册。 - **在线课程**:参加针对 OpenFOAM 的专业培训课程,学习基础操作及高级功能。 - **社区交流**:加入 OpenFOAM 用户论坛,与其他研究人员分享经验并解决遇到的问题。 ---
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