OpenFOAM模拟风洞边界层风场--《山西建筑》2008年23期
OpenFOAM模拟风洞边界层风场
【摘要】：使用开源CFD软件OpenFOAM进行了风洞边界层风场的模拟,通过模拟一方面验证了采用开源CFD软件OpenFOAM进行计算风工程模拟的有效性,另一方面也对模拟结果中边界层风场的特性进行了一定的讨论。
【作者单位】：
【关键词】：
【分类号】：TU312.1【正文快照】：
0引言计算风工程(Computational Wind Engineering)是使用数值方法解决风工程问题的一个新兴分支学科,其中使用CFD(Compu-tational Fluid Dynamics)方式进行边界层风场模拟是其研究的一个热点[1]。CFD通过数值求解流体的控制方程,得到流场的性质,相比于风洞试验和现场实测,其
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【引证文献】
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程秀花;[D];江苏大学;2011年
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王晓微;[D];武汉大学;2013年
康国兵;[D];华南理工大学;2011年
董国朝;[D];湖南大学;2012年
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胡效东;[D];山东大学;2007年
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中国硕士学位论文全文数据库
梁寒雨;[D];华南理工大学;2010年
赵鹏飞;[D];大连理工大学;2011年
徐瑛杰;[D];南京航空航天大学;2010年
陈雪宇;[D];南华大学;2010年
王宏亮;[D];兰州理工大学;2005年
余鑫;[D];吉林大学;2005年
刘震卿;[D];湖南大学;2010年
任吉超;[D];天津大学;2010年
富影杰;[D];兰州理工大学;2010年
吕培培;[D];上海交通大学;2011年
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OpenFOAM国内使用情况调查
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& & 想做一个简单的调查，看看国内哪些单位在用OpenFOAM或者想用OpenFOAM做哪方面的研究。以便以后国内的搞OpenFOAM联合起来，共同组织一些活动或共享一些资料，希望大家踊跃回复，共同进行OpenFOAM学习。& & 可采用如下格式进行回复。
所在单位：
研究方向：
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：
联系Email：
我来开个头
姓名：苏军伟
所在单位：西安交通大学（目前在imperial college London做访问学生）
学历：博士在读
研究方向：环境化工多相流动的数值模拟
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：
& &&&目前主要运用OpenFOAM中双欧拉两相流求解器twoPhaseEulerFoam进行生物反应器的数值模拟。目前已经向该求解器中植入Population Balance Model, Discrete Element Model, Mass Transfer Model for Bioreactor.
联系Email：
[ 本帖最后由 su_junwei 于
00:33 编辑 ]
可压缩流动计算
计划：sonicSRFFoam
[ 本帖最后由 monday 于
23:13 编辑 ]
姓名：张伟
所在单位：上海市应用数学与力学研究所
学历：博士在读
研究方向：流体机械／水泵 中的湍流模拟&&
& && && & 电雾化
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：
& & 1 旋转及曲率修正的SST 模型
& & 2 基于VOF 方法的 EHD 模型
联系Email：
楼上的，力学所的啊，我和贵所的钱跃弘老师蛮熟的，，，
原帖由 OpenFOAM 于
12:42 发表
姓名：张伟
所在单位：上海市应用数学与力学研究所
学历：博士在读
研究方向：流体机械／水泵 中的湍流模拟&&
& && && & 电雾化
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：
& & 1 旋转及曲率修正的SST ...
[ 本帖最后由 ywang 于
14:10 编辑 ]
姓名：查晶晶
所在单位：上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院
学历：硕士研究生在读（明年三月毕业）
研究方向：CFD
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：编写造波边界，应用interFoam和interDyMFoam数值造波
联系Email：
姓名：sqyhb
所在单位：军队
学历： 博士
研究方向：流固耦合
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：大涡模拟
联系Email：
姓名：刘继涛
所在单位：山东大学
学历：博士在读
研究方向：聚合物加工过程的多尺度模拟
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：
& & 基于interFoam开发模拟聚合物充模流动的rhcmFoam求解器，植入新的viscosity model: WLF, Cross-WLF等。
& & 拟开发或应用：（1）流固耦合求解器rhcmMoldFoam，求解聚合物熔体的流场和聚合物＋模具的温度场；（2）多尺度模拟分析：macro scale -- CFD，mesoscale -- 聚合物冷却结晶模拟，micro scale -- MD。
联系Email：
[ 本帖最后由 awacs 于
08:36 编辑 ]
姓名： 李兵
所在单位：斯图加特大学
学历：硕士在读
研究方向：塑料加工过程的数值模拟
已经或计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：基于nonNewtonianIcoFoam,simpleFoam开发的求解器，植入新的粘度model, 温度场。
联系Email：
所在单位：斯图加特大学
学历：博士在读
研究方向：高分子材料加工工程
希望运用OpenFOAM实现的功能：
- 熔化后的高分子材料在挤出机的模具中的流动模拟 （目前正在做的工作）。
- 高分子材料在双螺杆挤出机中的动态模拟（开始想）。
目前已经在OpenFOAM中植入的Model:
- viscosity Model (Carreau)
- thermal Model
联系Email：
姓名：郭辉
所在单位：北京交通大学
学历： 博士在读
研究方向：桥墩局部冲刷的三维数值模拟、建筑群大涡模拟
计划运用（植入）OpenFOAM的哪些功能：？刚刚对OpenFOAM开始了解，还望多多指教
联系Email：
好多啊，我这里是一个初学小团队
姓名：高嵩
所在单位：上海交通大学
学历： 博士在读
研究方向：多相流
联系Email：
回复 13# lyoly 的帖子
欢迎你们加入openfoam爱好者群: qq群号码：
坏了，我不用qq
原帖由 su_junwei 于
00:28 发表
欢迎你们加入openfoam爱好者群: qq群号码：
已经有好几年不用qq了，你们都在用吗？还有没有其他的选择呢？
回复 15# DAZ 的帖子
呵呵，我们在用。群现在96个人了，快满了。可能得想其他选择方法了
Powered by
&nbsp &nbspVisual-CFD for OpenFOAM&#174
Visual-CFD for
OpenFOAM&#174
ESI introduces an advanced user interface for OpenFOAM. This GUI environment
integrates OpenFOAM into a CAE platform, called Visual Environment, which
also hosts ESI Virtual Engineering tools for Casting, Composites, Crash,
Electromagnetics, NVH, Sheet Metal Forming and Welding. This Environment is
widely used for design and production analysis worldwide. With Visual-CFD, it
is easy to prepare CAD geometry, set up, solve and post-process an OpenFOAM
case in a customizable, unified, Environment using familar CFD terminology. This
makes Visual-CFD a valuable tool for both OpenFOAM beginners as
well as experienced users. It is available on both Linux and Windows
platforms.
What does Visual-CFD offer?
Combined with meshing and easy case set up for OpenFOAM, Visual-CFD
provides many more features that help users to easily integrate OpenFOAM into
their workflow:
Seamless import from most popular CAD formats, e.g. CATIA, ProE,
SolidWorks, UG etc. and many neutral formats e.g. IGES, STEP etc.
Extensive CAD clean up utilities for model preparation
Easy-to-use and intelligent set up
Integrated post-processing
Customizable using python-based macros
…and many other utilities to enhance OpenFOAM capabilities
Why Visual-CFD?
Visual-CFD is the perfect choice for:
easy-to-use
Environment
robust treatment of ‘dirty’ CAD - seamless import and clean-up of any
CAD geometry
parametric studies - available using macros
More experienced users can find advanced utilities within the Environment to
allow editing of the complete OpenFOAM deck to drive their process.
Attendees on our 2015 GUI for OpenFOAM
offered a one-month free trial license of the GUI.
Visual-CFD Workflow
Import and prepare your CAD Model
Pre-processing capabilities include:
Import from a many formats, e.g. IGES, STEP, CATIA, SolidWorks,
Embedded NURB data clean-up facility and surface wrapping
Option to review for cracks and un-trimmed surfaces
Automated CAD repair process to fix most issues
Handling of different part-Ids to define boundary conditions
Export to STL format for snappyHexMesh
Meshing (supported via snappyHexMesh) where the standard process is enhanced
User friendly outer domain/wind tunnel definition for exterior meshing
Simple-to-use multi-domain/region setup
Handling large models with part grouping and best-in-class graphics
Easy-to-use
refinement
functionality
drag-and-drop
Intelligent default mesh settings, with visual inspection of sizing
Interactive mesh inspection
additional
renumber and merge meshes
Case Set-up
Visual-CFD offers easy case set-up, only exposing what is necessary, with support
for additional physical modeling including porous media, Multiple Reference
Frame (MRF) and Volume of Fluid (VoF) applications.
Applies boundary conditions to CAD surfaces and allows complete set
up before meshing
Drag & drop of boundary conditions from a user-defined set to relevant
Easy to recognize boundary condition icons for part list
Easy-to-use monitoring of variables at points and surfaces, including
drag/lift predictions
Intelligent discretization scheme selection based on mesh quality
Automatic switching to 2 order schemes after a pre-assigned number
of iterations
Remote launching of simulation to allow windows users to submit jobs
on linux boxes
Post-processing
Post-processing is available directly on the decomposed cases within a single
Environment.
What Visual-CFD can do?
Visual-CFD can:
OpenFOAM e.g. STL, Nastran and OBJ
Help users to clean and prepare CAD surfaces
Generate both exterior- and interior models
volumes/regions,
evaporator/heater of HVAC units
multi-region/volume
meshing or by refinements in an easy-to-use manner
Model fan as a disc (fan curve), MRF, or rotating/sliding mesh
Model heat transfer (including CHT) both natural or forced convections
Include Volume of Fluid (VoF) applications
Import meshes from Fluent, StarCCM and IdeasUNV
Read externally created native OpenFOAM cases
quality of mesh generated
Create/record macros which enable users to automate their processes
…and many more
Comprehensive support for the Visual-CFD environment is , and we
provide regular
opportunities. Attendees on our 2015 GUI for
will be offered a one-month free trial
license of the GUI.影响CFD计算量的因素分析及在OpenFOAM中的参数调整
很长时间没有写博文了，主要由于这学期事情太多。 今天和大家分享一下影响cfd计算量的众多因素。
影响 CFD 计算量的因素很多，大概可以归为一下几个部分
1）物理问题本身
物理问题本身的复杂程度直接关系到计算量。 一般而言，非线性模型的计算量要高于线
性模型，多相流计算量大于单相流动。 如果单纯从求解方程个数及其方程类型而言， 方程个
数越多计算量越大，比如提供例子中 square 需要解 3 个标量方程（标量 p 和向量 U （2d） ） ，
而 dambreak 需要求解 6 个方程（标量 p、向量 U（2d）、标量体积分率 alpha，标量湍流强
度 k 和标量湍流强度耗散率 epsilon）。因此 dambreak 的计算量要高于方块绕流 。湍
流模拟而言，大涡模拟的计算量要高于雷诺时均。
2）计算网格单元数目和维度
计算网格的单元数直接关系到最终代数方程组的个数（每个单元求解一个代数方程）。
计算单元的个数越多，代数方程组越难求解，计算量越大，因此在满足工程需求的情况下，
应尽量减少网格数目，以减低计算量。 当网格数目相同时，计算区域的维度越大，得到的代
数方程组越难求解。也就是说，网格数目相同的情况下也就是说 3d 的网格较 2d 的网格难
3）计算网格的相对大小
对于显式或者半隐式算法（SIMPLE 或者 PISO，cfd 中较常采用），计算的稳定性受库朗
数（Co=u*dt/dx&1）的限制，物理上认为，计算过程中流体在设定的时间步长内流动距离不
能超过一个网格。因此，在剖分网格时，应该避免出现体积过小的网格。
4）代数方程求解器
代数方程求解器是关系计算量的关键因素之一，当计算的网格单元数比较多时， 代数方
程求解器的选择尤其重要。 OpenFOAM 中的代数方程求解器有 3 类，多重网格求解器，共轭
梯度求解器，光滑求解器。一般而言，计算速度的排列可以为
共轭梯度求解器+多重网格预条件器&
&& 多重网格求解器&
&& 共轭梯度求解器+一般与预
条件器&光滑求解器。
代数方程的求解难度和方程类型有关，对于速度方程和一般的标量方程（k 或者 epsilon），
相对容易求解， 因为这些方程通常具有对角占优特性。而对于，泊松类型的方程（比如压力
p 的方程），由于对角占优特性较差，则很难求解。故，对于网格数目较多的问题，通常对
压力方程采用“共轭梯度求解器+多重网格预条件器”或者“多重网格求解器”来进行求解，
而对于普通的标量方程则使用“共轭梯度求解器”。
求解器的选择可以通过 case 文件夹下的 system 下的 fvSolution 来完成，典型的设置方
“共轭梯度求解器+多重网格求解器”
p //求解变量
solver PCG; //共轭梯度求解器（使用对称矩阵，否则 PBICG）
preconditioner
preconditioner GAMG; //代数网格预条件器
tolerance 1e-05; //预条件器绝对残差
relTol 0; //预条件器相对残差
smoother DICGaussS
nPreSweeps 0;
nPostSweeps 2;
nFinestSweeps 2;
cacheA //可以改为 true，用内存换时间
nCellsInCoarsestLevel 10;
agglomerator faceAreaP
mergeLevels 1;
tolerance 1e-05; //绝对残差
relTol 0; //相对残差
maxIter 100; //最大迭代数目，一般而言，该求解器可以保证在 100
步以内收敛
“多重网格求解器”
p //求解变量
solver GAMG; //代数多重网格求解器
tolerance 1e-07; //绝对误差
relTol 0.01; //相对误差
smoother DIC; //光滑器
nPreSweeps 0;
nPostSweeps 2;
nFinestSweeps 2;
nCellsInCoarsestLevel 10;
agglomerator faceAreaP
mergeLevels 1;
“共轭梯度求解器” （非对称矩阵）
"(U|k)Final"
solver& PBiCG;
preconditioner DILU;
tolerance 1e-08;
“共轭梯度求解器”（对称矩阵）
solver PCG;
preconditioner DIC;
tolerance 1e-8;
relTol 0.01;
5）代数方程残差要求
第 4）部分给出了常见代数方程器的设置。应当注意到设置过程中有两个残差，他们分
别为 relTol（相对残差）和 tolerance（绝对残差），方程组迭代过程中，哪个残差最先达到，
则方程组停止迭代，这两个值设置越小，则计算量越大，但精度会越高。在实际计算过程中
可以将其中的一个设置为 0，则达到另外一个残差，则停止迭代，当然不能两个都设置为 0
（因为残差为 0 永远达不到）。在 OpenFOAM 求解器中压力方程常见有 p(或者 p_rgh)及其
pFinal(p_rghFinal)，p(或者 p_rgh)& 用来求解压力修正方程的中间步骤，而
pFinal(p_rghFinal)
为最后一次修正过程的代数方程求解的残差。 一般而言，将中间步骤的残差设置较大以降低
计算量，而将最后一次修正过程的残差设置较小，以提交求解精度。
6）代数方程类型
代数方程类型有两方面可能影响程序的计算量：（1）微分方程离散后得到的代数方程组
的对角占优特性，对角占优的方程组更容易收敛；（2） 微分方程离散后得到的代数方程组的
是否主对角对称 （目前代数方程求解器大都针对对称矩阵方程组和反对称方程组，不对称系
数矩阵方程组可以转化为对称矩阵和反对称矩阵之和。因此，一般而言，非对称矩阵的计算
量是对称矩阵的两倍） 。常见的求解变量的对上述两个条件满足状况如下
压力方程 p（不可压缩非稳态流动） ：对称矩阵，但对角相等，非对角占优，因此计算
速度方程 U（不可压缩非稳态流动） ：非对称矩阵，对角占优，计算量通常较 p 小。
一般标量方程 k，epsilon，T 等（非稳态流动）：非对称矩阵，对角占优，计算量较小。
非稳态纯扩散方程（比如纯导热问题）：对称矩阵，对角占优，计算量最小；
因此，在计算过程中，可以对压力方程 p 选择“共轭梯度求解器+代数多重网格预条件
器”而速度 U 和其他标量方程选择一般的共轭梯度求解器。选择的方法见第 4）部分。
7）离散格式
对流项的离散格式在一定程度上会影响计算量，比如一阶迎风（upwind） ，数值粘性比
较大，计算稳定，可以适当增加时间步长。而对于高阶格式如 Gamma 格式，数值粘性相对
较较小，计算稳定性相对较差，时间步长可能要小一点，从而影响计算量。同时，高阶格式
求解插值系数计算量也较大。
离散格式的调整可以通过 system 下的 fvScheme 文件下的 divScheme 字典下进行填写。
当不知道选择什么的时候，可以随便填写一个字符串，然后根据屏幕提示进行填写。
div(phi, U) G
时间项的离散也会影响到计算量，比如欧拉格式（Euler）计算量较 backward 和 CN 格
式小。但精度也想应降低。 时间格式在 system 下的 fvScheme 文件中 ddtScheme 字典下进行
填写。同样，当不知道填写什么的时候，可以随便填写一个字符串， 然后根据提示进行填写。
8）时间步长
时间步长越小在给定的时间内计算所需要的计算时间越长，精度也就越高。 但是，一般
而言，时间步长的选择通常根据当前计算的库朗数进行选择，也就是
dt &(dx/U)
OpenFOAM 中通过在 system 下的 controlDict 中的 deltaT（以秒为单位）来设置。
OpenFOAM 中有的求解器是可以自动调节时间步长的，比如给出的算例中 dambreak 和
hotRoom，如果要自动调节时间步长需要将 controlDict 文件中的
adjustTimeStep& 后面设置为
on，并通过 maxCo（最大库朗数）来自动条件时间步长。maxCo 应该小于 1，为了改善计算
精度可以将 maxCo 调节的小一些，但会增加计算量。&&
应当指出， Co 和 deltaT 呈线性关系，
如果你设置了 maxCo& 为 0.5 可以比设置为 0.25 降低一倍的计算量。一般将 maxCo
0.5 即可。对于 damBreak 这个例子还有一个 maxAlphaCo，他的意义和 maxCo 类似，决定了
求解体积分率方程 alpha1 的步进步长，可以将 maxAlphaCo 设置和 maxCo 一样的值。
9）最终结束时间
最终结束时间不会影响单步计算时间，但会影响总体运行时间。可以通过 system 下的
controlDict 文件中的 endTime 来调节。
10）并行分块方法
并行过程中分块方法可能影响到计算量，一般而言，应该让各个处理器之间的交接面最
小，以减少通信量，具体方法和参数请查看附件中 decomposeParDict
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