OpenFOAM-12解读｜01 概述
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了解OpenFOAM的道友都知道，OpenFOAM的文档写的是真的太过于简洁，以至于想要通过文档了解OpenFOAM变得非常困难。好在当前AI技术先进，从全局代码出发，对整个代码架构进行解读及总结变成了可能。
本系列文档利用AI对OpenFOAM 12的github仓库代码进行全局扫描并总结，希望对于OpenFOAM的学习能够提供一些帮助。
注意，文档内容为AI自动生成，虽然经过了简单的人工审核，但内容中依然可能会存在一些错误，请仔细甄别。添加原创标记仅为方便创建合集。
OpenFOAM（Open-source Field Operation And Manipulation）是一个用于开发定制数值求解器和前后处理工具的C++工具箱，主要用于求解连续介质力学问题，最常见的是计算流体力学（CFD）。本文档介绍了OpenFOAM-12、其架构以及主要组件之间的关系。
1 OpenFOAM是什么？
OpenFOAM以一系列协同工作的库组成，用于构建可执行应用程序。这些应用程序分为两大类：
Solvers：专门求解连续介质力学领域特定问题的应用程序 Utilities：执行前处理、后处理以及支持仿真流程其他任务的辅助程序
该框架具备高度可扩展性，支持用户通过复用现有组件或开发新模块，创建定制化的求解器和工具程序。
2 核心架构
OpenFOAM的核心由几个关键系统构成：
时间管理系统（
foam::Time）：控制模拟的时间维度，触发函数对象，并作为顶级对象注册表。它负责时间步进、按指定间隔输出数据，以及确定模拟的开始和结束时间。有限体积网格系统（
fvMesh）：将离散化的域表示为单元、面和点的集 合。它处理网格拓扑、几何结构及连接性，并通过网格缝合器处理非共形接口。字典系统（
dictionary）：提供一种分层配置机制，贯穿于OpenFOAM中。工具如foamDictionary可用于操作这些字典。物理场系统（
GeometricField）：存储并管理与网格元素相关的物理变量（如速度、压力、温度等）。函数对象系统（
functionObjectList）：提供框架，用于在模拟过程中执行操作，如计算派生量、输出特定数据或修改模拟状态。
3 环境及配置
OPENFOAM的环境配置通过以下方式实现：
环境设置脚本（
etc/bashrc、etc/cshrc）：设置环境变量、路径以及OPENFOAM的默认配置。案例结构：每个OPENFOAM模拟都组织为一个案例目录，包含以下内容：
system/：包含控制模拟参数的字典（如controlDict）、离散格式（如fvSchemes）以及求解器设置（如fvSolution）。constant/：包含物理属性和网格定义。Time目录：存储不同模拟时间点的场数据。Control字典（
controlDict）：位于system/目录中，是模拟的主要配置文件，定义时间步长、写入间隔以及要执行的函数对象等参数。
4 仿真及数据流
OPENFOAM的模拟流程通常遵循以下步骤：
前处理：
使用工具如 blockMesh或snappyHexMesh生成网格指定边界条件 定义物理属性 模拟设置：
使用 decomposePar进行并行计算时的计算域分解在字典中配置模拟参数 求解器执行：
由 Time类控制时间步进使用有限体积离散进行矩阵组装和求解 按指定间隔执行函数对象 后处理：
使用 reconstructPar进行域重建（针对并行计算）使用 paraFoam（ParaView的封装）进行可视化使用 postProcess和其他工具进行数据分析
5 网格和场表示
OpenFOAM 通过以下方式表示计算域及其相关数据：
网格表示：
polyMesh：基础网格类，提供拓扑信息（单元、面、点）。fvMesh：有限体积网格类，扩展了polyMesh，为有限体积离散化提供额外功能。边界网格和Patch，表示具有不同条件的域边界。 场表示：
volField：单元中心场（例如压力、温度）。surfaceField：面中心场（例如通量）。pointField：点中心场。GeometricField：模板类，用于表示与网格实体相关的场。根据数据存储位置的不同，场类型包括： 边界条件：
通过专门的patch场（ fvPatchField的派生类）应用。提供多种类型：固定值、固定梯度、混合等。
6 字典系统
字典系统提供了一种用于整个OpenFOAM的分层键值配置机制。
字典系统的关键要素：
字典类：
dictionary：用于存储层次化键值对的基类IOdictionary：为字典添加输入输出功能controlIOdictionary：专为控制字典设计条目：
entry：字典条目的基类primitiveEntry：用于简单值（如数字、字符串等）dictionaryEntry：用于嵌套字典特殊功能：
用于高级功能的函数条目（如 #include、#calc）使用正则表达式模式匹配进行键查找 通过 foamDictionary工具进行操作
7 功能对象系统
功能对象提供了在模拟过程中执行操作的框架：
核心类： functionObject：定义接口的抽象基类functionObjectList：管理所有活动功能对象的容器timeControl：控制功能对象何时执行与时间系统的集成： 功能对象由 Time类在时间步进期间触发它们可以在模拟开始、每个时间步进期间或模拟结束时执行 典型的功能对象： 力和力矩计算 场平均值和操作 数据采样和导出 运行时可视化和后处理
8 总结
OpenFOAM-12为计算流体动力学及其他连续介质力学问题提供了一个全面的框架。其面向对象的架构允许灵活定制与扩展，而核心组件为创建、求解及分析复杂物理模拟奠定了坚实基础。该框架的主要优势包括：
稳健的网格表示系统，支持复杂几何结构 灵活的场操作，用于表示物理量 针对多种物理现象的广泛求解器能力 强大的字典系统，便于配置 对并行计算的强力支持 通过功能对象系统实现可扩展架构
这些特性的结合，使OpenFOAM-12成为适用于标准CFD应用及需要定制求解器与工具的专门模拟的强大工具。
（未完待续）
