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OpenFOAM案例┃01 二维翼型外流场

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家
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CFD之道

7月前浏览985

本案例为OpenFOAM 13案例，位于incompressibleFluid文件夹中。

本系列文档为AI整理+人工粗略检查，后期目的是搭建一个OpenFOAM案例参数推荐知识库。
”

1 案例描述

本案例为二维翼型绕流的不可压缩流体数值模拟，采用 OpenFOAM 13 版本进行计算。该案例模拟了均匀来流绕过翼型时的流动特性，用于研究翼型周围的流场分布、压力分布以及湍流特性。

求解器类型：采用通用不可压缩流动求解器 incompressibleFluid。

案例基本信息：

定常流动（Steady-state）
不可压缩流体
湍流流动
二维模型

2 案例几何与网格

2.2 几何尺寸

计算域 X 方向范围：-17.7 至 17.5 米
计算域 Y 方向范围：-3.7 至 3.9 米
Z 方向厚度：0.05 米（二维模拟）
翼型几何位于计算域中心区域

2.1 网格基本信息

计算网格如图所示。

网格基本信息如下所示。

参数	数值
网格单元数	10,720
网格面数	43,066
网格节点数	21,812
网格维度	二维（2D）
单元类型	四面体/六面体混合

2.3 边界定义

计算区域中包含的边界信息如下所示。

边界名称	边界类型	物理类型	面数	描述
inlet	patch	inlet	134	入流边界
outlet	patch	outlet	160	出流边界
walls	wall	wall	78	翼型表面
frontAndBack	empty	empty	21,440	二维对称面

2.4 网格特征

网格质量：采用结构化/非结构化混合网格
边界层处理：翼型表面（walls）进行了边界层网格加密
二维处理：使用 empty 边界类型实现二维计算
网格适应性：翼型周围网格进行了局部细化，以捕捉边界层和分离流动

3 物理模型

3.1 湍流模型

模型类型	具体模型	状态
RAS（雷诺平均应力）	Spalart-Allmaras	开启

Spalart-Allmaras 模型特点：

单方程湍流模型
适用于航空翼型绕流
计算效率高
对附着流动和适度分离流动表现良好
边界湍流参数敏感

3.2 材料属性

属性	参数值	单位
密度 (ρ)	1.0	kg/m³
运动粘度 (ν)	1.0×10⁻⁵	m²/s
粘度模型	constant	-

3.3 初始流场条件

变量	初始值	单位	说明
速度 U	(25.75, 3.62, 0)	m/s	X、Y 方向分量
合速度	26.0	m/s	来流速度大小
攻角	8.0	度	根据速度分量计算
压力 p	0	Pa	相对压力
湍流粘度 νt	0.14	m²/s	初始湍流粘度
修正湍流粘度 ν̃	0.14	m²/s	Spalart-Allmaras 变量

4 边界条件

4.1 速度场边界条件

边界	类型	参数值	说明
inlet	freestreamVelocity	freestreamValue = (25.75, 3.62, 0)	自由来流速度
outlet	freestreamVelocity	freestreamValue = (25.75, 3.62, 0)	自由来流速度
walls	noSlip	-	无滑移壁面
frontAndBack	empty	-	二维对称面

4.2 压力场边界条件

边界	类型	参数值	说明
inlet	freestreamPressure	freestreamValue = 0	自由来流压力
outlet	freestreamPressure	freestreamValue = 0	自由来流压力
walls	zeroGradient	-	零梯度（法向导数为零）
frontAndBack	empty	-	二维对称面

4.3 湍流粘度边界条件

边界	类型	参数值	说明
inlet	freestream	freestreamValue = 0.14	自由来流湍流粘度
outlet	freestream	freestreamValue = 0.14	自由来流湍流粘度
walls	nutUSpaldingWallFunction	value = 0	Spalding 壁面函数
frontAndBack	empty	-	二维对称面

4.4 修正湍流粘度边界条件

边界	类型	参数值	说明
inlet	freestream	freestreamValue = 0.14	自由来流值
outlet	freestream	freestreamValue = 0.14	自由来流值
walls	fixedValue	value = 0	固定值（壁面为零）
frontAndBack	empty	-	二维对称面

5 求解控制参数

5.1 时间控制

参数	数值	说明
求解器	incompressibleFluid	不可压缩流体求解器
开始时间	0	初始时间
结束时间	500	模拟结束时间（迭代步数）
时间步长	1	定常计算的时间步
时间方案	steadyState	定常状态求解

5.2 输出控制

参数	数值	说明
写入控制	timeStep	按时间步写入
写入间隔	50	每50步写入一次
清除写入	0	保留所有时间步数据
写入格式	ascii	ASCII 格式
写入精度	6	6位有效数字

5.3 离散格式

方程类型	离散格式	说明
时间项 (ddtSchemes)	steadyState	定常求解
梯度项 (gradSchemes)	Gauss linear	线性高斯积分
对流项 (divSchemes)	bounded Gauss linearUpwind	有界迎风格式
拉普拉斯项 (laplacianSchemes)	Gauss linear corrected	修正线性格式
插值格式 (interpolationSchemes)	linear	线性插值
面法向梯度 (snGradSchemes)	corrected	修正格式
壁面距离 (wallDist)	meshWave	波传播法

5.4 线性求解器设置

变量	求解器	容差	相对容差	光滑器	扫描次数
压力 (p)	GAMG	1×10⁻⁶	0.1	GaussSeidel	-
速度 (U)	s moothSolver	1×10⁻⁸	0.1	GaussSeidel	2
湍流粘度 (ν̃)	s moothSolver	1×10⁻⁸	0.1	GaussSeidel	2

5.5 SIMPLE 算法参数

参数	数值	说明
非正交修正	0	非正交修正次数
压力残差控制	1×10⁻⁵	收敛判据
速度残差控制	1×10⁻⁵	收敛判据
湍流粘度残差控制	1×10⁻⁵	收敛判据

5.6 松弛因子

变量类型	变量	松弛因子	说明
场变量	压力 (p)	0.3	压力松弛因子
方程	速度 (U)	0.7	速度方程松弛因子
方程	湍流粘度 (ν̃)	0.7	湍流方程松弛因子

6 案例后处理

本案例未配置显式的后处理操作（如函数对象、数据监测等），主要依赖标准的时间步输出进行后处理。

每个输出时间步（每50步）包含以下物理场：

速度场 (U)：三维速度矢量
压力场 (p)：标量压力
湍流粘度 (nut)：湍流运动粘度
修正湍流粘度 (ν̃)：Spalart-Allmaras 模型变量

7 案例运行方式

1、串行计算

采用下面的命令可以进行串行计算。

cd airFoil2D
foamRun

2、并行计算

采用下面的命令拷贝decomposeParDict字典文件：

cd airFoil2D
foamGet decomposeParDict

可以修改 system/decomposePar 文件。修改完毕后运行下面的命令进行并行计算：

decomposePar
mpirun -np 8 foamRun
reconstructPar

7.3 监控运行

# 实时查看日志
tail -f log.foamRun
# 查看残差收敛情况
foamLog log.foamRun

8 关键物理参数总结

参数类别	参数名称	数值	单位
流动参数	来流速度	26.0	m/s
	攻角	8.0	度
	雷诺数	~4.5×10⁶	-
流体属性	密度	1.0	kg/m³
	运动粘度	1.0×10⁻⁵	m²/s
湍流参数	湍流模型	Spalart-Allmaras	-
	初始湍流粘度	0.14	m²/s
计算参数	网格单元数	10,720	-
	迭代步数	500	-
	收敛容差	1×10⁻⁵	-