本案例利用OpenFOAM中的simpleFoam求解器计算室内空间的空气龄。

注：案例位于\incompressible\simpleFoam\roomResidenceTime。

”

1 计算模型

计算模型如下图所示。计算区域内包含一个入口及一个出口，入口流速1.68 m/s，出口静压为0 Pa，计算区域达到稳态后的空气龄分布。

空气龄的计算可以直接利用functionObject来实现，并不需要修改求解器源代码。

2 计算网格

本算例几何结构较为简单，直接使用blockMesh生成网格即可。网格边界包括一个入口inlet、一个出口outlet，其他边界为壁面walls。其在blockMeshDict字典中进行指定。

...
defaultPatch
{
    name walls;
    type wall;
}
boundary
(
    inlet
    {
        type patch;
        faces
        (
            (2 17 40 33)
        );
    }
    outlet
    {
        type patch;
        faces
        (
            (51 58 60 53)
        );
    }
);

生成的计算网格如下图所示。

2 计算模型

本算例采用kEpsilon湍流模型进行计算。在constant/momentumTransport字典文件中进行湍流模型的指定。文件内容如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "constant";
    object      momentumTransport;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * //
simulationType RAS;
RAS
{
    model           kEpsilon;
    turbulence      on;
    printCoeffs     on;
}

流体介质为空气，需要在字典文件constant/transportProperties文件中指定其运动粘度。文件内容如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "constant";
    object      transportProperties;
}
// * * * * * * * * * * * * * //
transportModel  Newtonian;
// Air at 23 degC
nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1.56225e-05;

3 边界条件与初始条件

需要在0文件夹中指定初始条件与边界条件。这里需要指定文件p、U、k、epsilon、nut。

3.1 p文件

p文件如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      p;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField   uniform 0;
boundaryField
{
    walls
    {
        type            zeroGradient;
    }
    inlet
    {
        type            zeroGradient;
    }
    outlet
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 0;
    }
}

3.2 U文件

U文件如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volVectorField;
    location    "0";
    object      U;
}
// * * * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 1 -1 0 0 0 0];
internalField   uniform (0 0 0);
boundaryField
{
    walls
    {
        type            noSlip;
    }
    inlet
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform (1.68 0 0);
    }
    outlet
    {
        type            pressureInletOutletVelocity;
        value           uniform (0 0 0);
    }
}

3.3 k文件

k文件如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      k;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField   uniform 8e-2;
boundaryField
{
    walls
    {
        type            kqRWallFunction;
        value           $internalField;
    }
    inlet
    {
        type            turbulentIntensityKineticEnergyInlet;
        intensity       0.14;
        value           $internalField;
    }
    outlet
    {
        type            inletOutlet;
        inletValue      $internalField;
    }
}

3.4 epsilon文件

epsilon文件如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      epsilon;
}
// * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 2 -3 0 0 0 0];
internalField   uniform 0.23;
boundaryField
{
    walls
    {
        type            epsilonWallFunction;
        value           $internalField;
    }
    inlet
    {
        type            turbulentMixingLengthDissipationRateInlet;
        mixingLength    0.0168;
        value           $internalField;
    }
    outlet
    {
        type            inletOutlet;
        inletValue      $internalField;
    }
}

3.5 nut文件

nut文件如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      nut;
}
// * * * * *  * * * * * * * * * * * * * //
dimensions      [0 2 -1 0 0 0 0];
internalField   uniform 0;
boundaryField
{
    walls
    {
        type            nutkWallFunction;
        value           uniform 0;
    }
    inlet
    {
        type            calculated;
        value           uniform 0;
    }
    outlet
    {
        type            calculated;
        value           uniform 0;
    }
}

4 计算参数文件

计算参数文件位于system文件夹。

4.1 controlDict文件

controlDict文件内容如下所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * //
application     simpleFoam;
startFrom       startTime;
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         2000;
deltaT          1;
writeControl    timeStep;
writeInterval   250;
purgeWrite      0;
writeFormat     ascii;
writePrecision  6;
writeCompression off;
timeFormat      general;
timePrecision   6;
runTimeModifiable true;
functions
{
    #includeFunc residuals
}

4.2 fvSchemes文件

文件内容：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      fvSchemes;
}
// * * * * * * * * * * * * //
ddtSchemes
{
    default         steadyState;
}
gradSchemes
{
    default         Gauss linear;
}
divSchemes
{
    default         none;
    div(phi,U)      bounded Gauss upwind;
    div(phi,k)      bounded Gauss upwind;
    div(phi,epsilon) bounded Gauss upwind;
    div((nuEff*dev2(T(grad(U))))) Gauss linear;
    div(phi,age)    bounded Gauss upwind;
}
laplacianSchemes
{
    default         Gauss linear orthogonal;
}
interpolationSchemes
{
    default         linear;
}
snGradSchemes
{
    default         orthogonal;
}
wallDist
{
    method meshWave;
}

4.3 fvSolution文件

文件内容：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      fvSolution;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * //
solvers
{
    p
    {
        solver          GAMG;
        tolerance       1e-08;
        relTol          0.1;
        smoother        GaussSeidel;
    }
    "(U|k|epsilon)"
    {
        solver          PBiCG;
        preconditioner  DILU;
        tolerance       1e-08;
        relTol          0.1;
    }
    // 这里添加了age方程的求解算法
    age
    {
        $U;
        relTol          0.001;
    }
}
SIMPLE
{
    consistent          yes;
    residualControl
    {
        p               1e-3;
        U               1e-4;
        "(k|epsilon)"   1e-4;
    }
}
relaxationFactors
{
    fields
    {
        p               1;
    }
    equations
    {
        U               0.95;
        k               0.7;
        epsilon         0.7;
        age             1;
    }
}

5 求解计算

先执行simleFoam进行流场计算，终端中执行命令：

simpleFoam

5.1 计算age

准备age计算的functionObject字典。可以在system文件夹下新建一个字典文件，如命名为age，其内容如下所示：

type            age;
libs            ("libfieldFunctionObjects.so");
diffusion       true;
executeControl  writeTime;
writeControl    writeTime;

运行下面的命令：

simpleFoam -postProcess -func age

此时在每个时间文件夹下增添了名为age的文件。

5.2 监测物理量

可以准备监测文件获取检测位置的age值。

如创建两个监测文件probes1及probes2，其内容分别为：

// probes1
#includeEtc "caseDicts/postProcessing/probes/probes.cfg"
fields (age);
probeLocations
(
    (1.13 1.8 0.0)
    (1.13 1.8 0.1)
    (1.13 1.8 0.2)
    (1.13 1.8 0.3)
    (1.13 1.8 0.4)
    (1.13 1.8 0.5)
    (1.13 1.8 0.6)
    (1.13 1.8 0.7)
    (1.13 1.8 0.8)
    (1.13 1.8 0.9)
    (1.13 1.8 1.0)
    (1.13 1.8 1.1)
    (1.13 1.8 1.2)
    (1.13 1.8 1.3)
    (1.13 1.8 1.4)
    (1.13 1.8 1.5)
    (1.13 1.8 1.6)
    (1.13 1.8 1.7)
    (1.13 1.8 1.8)
    (1.13 1.8 1.9)
    (1.13 1.8 2.1)
    (1.13 1.8 2.2)
    (1.13 1.8 2.3)
    (1.13 1.8 2.4)
    (1.13 1.8 2.5)
    (1.13 1.8 2.6)
    (1.13 1.8 2.7)
    (1.13 1.8 2.8)
    (1.13 1.8 2.9)
    (1.13 1.8 3.0)
);

probes2文件如下所示。

#includeEtc "caseDicts/postProcessing/probes/probes.cfg"
fields (age);
probeLocations
(
    (3.2 1.8 0.0)
    (3.2 1.8 0.1)
    (3.2 1.8 0.2)
    (3.2 1.8 0.3)
    (3.2 1.8 0.4)
    (3.2 1.8 0.5)
    (3.2 1.8 0.6)
    (3.2 1.8 0.7)
    (3.2 1.8 0.8)
    (3.2 1.8 0.9)
    (3.2 1.8 1.0)
    (3.2 1.8 1.1)
    (3.2 1.8 1.2)
    (3.2 1.8 1.3)
    (3.2 1.8 1.4)
    (3.2 1.8 1.5)
    (3.2 1.8 1.6)
    (3.2 1.8 1.7)
    (3.2 1.8 1.8)
    (3.2 1.8 1.9)
    (3.2 1.8 2.1)
    (3.2 1.8 2.2)
    (3.2 1.8 2.3)
    (3.2 1.8 2.4)
    (3.2 1.8 2.5)
    (3.2 1.8 2.6)
    (3.2 1.8 2.7)
    (3.2 1.8 2.8)
    (3.2 1.8 2.9)
    (3.2 1.8 3.0)
);

执行命令：

postProcess -func probes1 -latestTime
postProcess -func probes2 -latestTime

此时在文件夹postProcessing中新增两个文件名分别为probes1、probes2的文件夹，其中放置了获取的age数据。如下图所示。

该文件可以通过文本编辑器打开，里面列出了监测的各位置点的age值。

6 后处理

可以使用下面的命令查看计算残差：

foamMonitor -l postProcessing/residuals/0/residuals.dat

计算残差如下图所示。

• y=0面上age分布

• y=0面上速度分布