OpenFOAM编程基础18讲：源代码学OpenFOAM程序的编译、配置及测试运行过程

本课适合哪些人学习：

1、学习型仿真工程师

2、理工科学子和教授

3、OpenFOAM软件兴趣爱好者和应用者

你会得到什么：

通过源代码学习OpenFOAM编程，显然不是为了直接编译运行仓库中的程序文件。本系列教程的目的是解读并练习程序的编译、配置以及测试运行过程。

课程介绍：

OpenFOAM本质上是一个C  类库，其包含了从底层数值算法到高层应用求解器的所有细节代码。用户可以在此类库的基础上开发自己专有的CFD程序。然而OpenFOAM代码是一个极其庞大的代码库，想要灵活运用其基础代码也不是一件容易的事情，尤其是高层库更是经过了逐层封装，想要理清源代码之间的相互关系并灵活运用这些代码，除了阅读代码文档之外，多动手写代码也是必不可少的。

本系列课程的内容来自github

仓库地址：https://github.com/UnnamedMoose/BasicOpenFOAMProgrammingTutorials。

仓库所有者：Artur K Lidtke。

仓库中提供了17个tutorials。每个tut中都包含了源代码及Make文件夹，可以直接编译运行。

我们是想通过源代码学习OpenFOAM编程，显然不是为了直接编译运行仓库中的程序文件。本系列教程的目的是解读并练习程序的编译、配置以及测试运行过程。

案例内容包括：

Tutorial 0 - Hello world

配置环境，利用OpenFOAM编写一个简单的程序，其输出一条简单的信息。

Tutorial 1 - Input and output

演示从指定字典中读取数据，并将其输出到指定的文件中。

Tutorial 2 - Command line arguments

演示如何将参数和选项传递给自定义应用程序。

Tutorial 3 - Understanding the mesh

讨论OpenFOAM的网格描述如何工作，并介绍用于与网格交互的代码接口。

Tutorial 4 - Basic field operations

介绍场对象的概念，使用内置的运算符从OpenFOAM原生文件中读取值，以及手动计算场变量的值。

Tutorial 5 - Basic parallel computing

以Tutorial 4中开发的求解器为例，介绍使用OpenFOAM和OpenMPI进行并行计算的速成课程。描述了OpenFOAM处理并行区域分解的方式，展示了用于并行节点之间通信的基本操作，并将basic求解器升级为并行工作。

Tutorial 6 - Custom classes

演示如何添加一个新类来扩展OpenFOAM的功能，并给出了一个从OpenFOAM对象派生类的示例实现。从IOdictionary类派生一个新的类，目的是添加一个自定义方法，列出dict文件的内容，同时保留所有的基准功能。

Tutorial 7 - Custom libraries

演示如何编译外部库并将其添加到OpenFOAM。通过将教程4和5中“solver”的关键功能移动到一个独立的库中，然后将其与求解器代码的其余部分相链接来实现。

Tutorial 8 - Custom boundary condition

演示如何实现自定义边界条件。这里没有引入定制的实用工具，而是实现了一个库。这定义了一个入口条件，允许在管道入口指定边界层分布。

BC利用派生自fixedValue的类实现，添加了几个控制参数，允许指定入口分布。需要注意的关键方法是两个构造函数(默认构造函数和一个从字符串构造BC的构造函数)以及.updateCoeffs()。

测试案例是一条直管道，其流动可用基本的simpleFoam求解器进行求解。需要注意的是0.org/U文件中BC的定义，以及system/controlDict文件中所包含的定制库。案例在粗糙网格上使用3D RANS进行计算，因此在低端计算机上需要几分钟进行求解。边界条件的影响可以通过绘制通过管道的x速度图并注意入口边界层分布以及它对计算结果的影响来查看。

Tutorial 9 - Runtime post processing utility

讨论运行时后处理工具的实现，该工具使用topoSet计算通过指定网格面的流量。

该工具被实现为一个运行时后处理对象，该对象派生自OpenFOAM内置的fvMeshFunctionObject及logFiles类。其在每个所需的时间步对通过指定的网格面的法向速度进行积分，将计算结果写入到文件，并在屏幕上打印出来。

案例需要注意的内容为：

构造函数

writeFileHeader()函数

createFileNames()函数

write()函数

它们实现了工具背后的实际数**算。需要注意的是，该工具被编译为一个库，然后按照OpenFOAM运行时工具的约定链接到主求解器。

测试用例与教程8中的管道相同，只是本案例使用均匀的流入边界。值得注意的是system/topoSet中的faceZone的定义。可以通过在paraview中选择Include zones并应用Extract block过滤器来可视化。当simpleFoam解算器运行时，该工具将在postProcessing目录中创建输出文件。

Tutorial 10 - Transport equation

案例介绍求解简单的标量输运方程背后的概念。

Tutorial 11 - Modifying the mesh

展示如何通过点生成不同类型的网格，并将生成的网格导出到OpenFOAM案例中。

建议查看meshPoints.pdf及Gmsh文件，以便更好地了解网格是如何从点构造的。

Tutorial 12 - Adding a custom momentum source

展示了ActuatorDisk动量源的修改版本，该动量源不使用cell Set来标记要应用该源的网格，取而代之的是，它标识构造器内部的网格，该构造函数允许更容易地调整disk参数，并且可以进一步开发以包括动态变化。

实现的主要部分位于customActuationDiskSourceTemplates.C中，网格格选择算法在customActuationDiskSource.C的类构造函数中实现。本教程主要展示fvOption对象如何构造，以及如何修改它以满足需要。

Tutorial 13 - Waves

贡献者: Ramkumar

案例实现了一个求解波动方程的基本求解器。本教程的主要目的是介绍如何使用OpenFOAM C  求解自定义方程。教程Tutorial10提供了在已求解的速度场上求解输运方程的思路，该方程是稳态的。而在本案例，波动方程是以瞬态形式求解的。此求解器需要一个名为h的新物理场，它表示计算域中波的振幅。

测试用例是一个简单的二维波模拟，初始条件是将单个峰值振幅区域放置在二维面的中心。模拟计算了波如何通过反射传播和诱导新的波，它们的相长干涉和相消干涉也可以清楚地看到。几何体/网格是一个尺寸为1x1x0.01的长方体，厚度方向生成一层网格厚度，顶部面和底部面为empty边界条件。

Tutorial 14 - The SIMPLE Algorithm

贡献者: Ramkumar

显示了如何执行矩阵运算，以便使用SIMPLE算法求解流动控制方程。值得注意的是，该代码仅用于显示方程是如何求解的。因此，省略了优化和收敛检查条件，使代码更易于理解。

使用的测试用例求解了2D通道流。以下是理解本教程所需的前提条件:

CFD在线维基词条(非常简短，几乎没有细节，但很简洁)

https://www.cfd-online.com/Wiki/SIMPLE_algorithm

这个YouTube视频使用与代码中相同的矩阵表示法:

https://www.*******.com/watch?v=ahdW5TKacok

相当详细但简明扼要的笔记:

https://quickersim.com/tutorial/tutorial-2-numerics-simple-scheme

Tutorial 15 - Discretisation schemes

以一般标量输运方程中使用的对流通量为例，展示了在OpenFOAM中如何处理离散化的基本流程。导出的格式合并了线性插值和迎风插值，以演示如何实现自定义行为。需要注意的关键地方是OFtutorial15.H中定义的Weight例程。

使用的测试用例是一个简单的一维流，具有无量纲标量场，在x方向上转换跳跃。观察混合格式如何比纯上风更准确，且能避免简单线性格式的过冲。

推荐阅读书目:

WolfDynamics关于OpenFOAM中CFD理论的幻灯片:

http://www.wolfdynamics.com/training/OF_WS2020/traning_session2020.pdf

Tutorial 16 - Lagrangian Particle Tracking

开发了一个定制的应用程序，用于跟踪通过现有流场的无质量粒子。本教程介绍以下概念：

设置模拟时间，以便在特定保存的时间步长读取数据。

数据类型point和pointList，它们只不过是专用于坐标的矢量数据类型。

一种用于获取给定点坐标所在的网格id的网格函数。

拉格朗日无质量颗粒跟踪。

编写用于可视化颗粒轨迹的VTK文件。