OpenFoam之顶盖驱动流模拟

文件的第一行到第七行是文件头信息，然后具体的字典信息通过的 FoamFile 后的 (...) 来指定 10 。这个文件首先指定各个 block 顶点（vertices）的坐标；然后通过顶点编号来定义 block，最后定义边界面。用户可以查阅5.3节来详细了解 blockMeshDict 的具体意义。网格通过在这个算例目录下运行 blockMesh 命令来生成。在算例目录下，通过在终端简单地键入：

blockMesh

来 完 成，blockMesh 命 令 会 把 运 行 的 情 况 输 出 到 终 端。blockMeshDict 中 的 任 何 错 误blockMesh 都会检测到并在终端输出错误，并告诉用户第几行错了。目前我们运行这个算例的时候，不会有错误。

第二步 边界和初始条件

一旦网格生成完毕，用户可以查看这个算例的初始场信息。在这个算例中，我们从 0 秒开始计算，因此初始的场信息存储在 cavity 目录下的 0 文件夹下。0 文件夹下又包含两个文件， p 和 U，它们是压力场和速度场，它们的初值和边界条件必须指定。下面我们来看一下 p 文件：

场文件中有 3 个主要信息：
dimensions 指定场的单位，此处为运动压力 11 ，单位为 m 2 s −2 .
internalField 内 部 场 可 以 uniform， 即 均 一 场； 或 者 每 个 网 格 的 数 据 都 需 要 指 定 的nonuniform；
boundaryField 指定边界场信息，包括边界条件以及所有边界面所需的信息。
对于这个 cavity 算例，边界场由 walls 组成，并分为两个 patches：(1) fixedWalls，其用来指定固定边界，即 cavity 几何的底部和侧面。(2) movingWall，cavity 几何的上部。作为壁面，压力边界条件均为 zeroGradient，意味着压力的法向梯度为 0。frontAndBack 面即为 2D 算例的前后面，因此必须指定为empty。

在这个算例中初始场我们都设置为 uniform。这里的压力为运动压力，作为不可压缩流，它的绝对值是没有意义的。因此我们设置其为 uniform 0。这样比较简单 。用户可以采用同样的方法来查看 0/U 文件。dimensions 是速度的单位。内部场初始化为 0，对于速度来说，这个值必须是一个矢量，即：uniform (0 0 0)。速度场和压力场的 frontAndBack 都为 empty, 其它的 patchs 均为 fixedWalls，且指定为无滑移边界条件，因此为 fixedValue，其值为 value uniform (0 0 0)。我们假设顶部的壁面以每秒 1 米的速度在 x 方向移动，这是一个固定速度即 fixedValue，其具体的值为uniform (1 0 0)。

第三步 物理特性

算例的物理特性存储在以 Properties 为后缀的文件中，对于 cavity 算例，唯一需要给 定 的 参 数 为 运 动 粘 度， 它 存 储 在 transportProperties 字 典 文 件 中。 用 户 可 以 打 开transportProperties 文件来查看运动粘度是否设置正确。运动粘度的关键词为 nu，类似于希腊字母 ν 的发音。我们的算例雷诺数为 10，雷诺数如下定义:Re =d |U|/ϑ。d 和 |U| 分别是特征长度和速度， ϑ 为运动粘度。此处 d 为 0.1m，|U| 为 1m/s，运动粘度为 0.01m 2 /s。所以雷诺数为 10。正确地指定运动粘度场应该如下所示 ：

第四步 控制

在 controlDict 字典内可以对时间步、输入输出时间、场数据的读取和写入来进行控制。用户应该查阅这个文件，作为一个算例的控制文件，它位于 system 文件夹下。
起始时间、终止时间以及求解时间步必须要进行设定。OpenFOAM 提供了灵活的时间步控制。在这个教程里我们打算在 t = 0 的时候开始进行计算，这意味着 OpenFOAM 需要读取 0 文件夹下的场数据，请查阅4.1节来获取更多有关算例文件结构的相关信息。因此我们设定startFrom 关键字信息为 startTime，然后指定 startTime 为 0。
运算结束的时候，我们希望能达到稳定的状态，即流体在空腔内循环。一个通用准则是，层流下流体应该穿过（循环）计算域 10 次。在这个算例中，我们没有进口和出口，因此流体没有穿过计算域。因此结束时间应该设置为在空腔内循环 10 次的时间。例如 1s。实际上，我们发现 0.5s 就可以了，故我们设置结束时间为 0.5s。我们通过把 stopAt 关键字指定为 endTime 然后把 endTime指定为 0.5 来完成。

现在我们需要设定时间步，即 deltaT。当运行 icoFoam 的时候，为了达到数值稳定以及时间计算精度，库郎数 14 应该小于 1。每个网格的库郎数这样定义:Co =δ t |U|/δ x。δ t 为时间步，|U| 为某个网格单元内的速度矢量的模， δ x 为速度方向的网格长度。由于流体域内速度并不均一，为了保证库郎数在各处都小于 1，我们依据最大速度和最小网格尺寸来计算库郎数，在保证其小于 1 的前提下指定时间步。在这个算例中网格大小是固定的，因此在顶盖附近，速度接近1m/s 的地方库郎数最大，网格大小为：δ x =d/n=0.1/20=0.005m。为了使库郎数在整个流体域都小于或等于 1。时间步必须小于或等于：δ t =Co δ x /|U|=1 ∗ 0.005/1=0.005s。

随着计算的进行，我们希望在某个固定的时间间隔下写入数据。以便我们可以在后处理中进行查看。对于如何对写入时间步进行设定有很多选择，它可以通过 writeControl 关键字来控制。我们决定在 0.1s, 0.2s, …, 0.5s 写入我们的结果。由于计算时间步为 0.005s，因此我们需要每 20 个时间步输出一次结果，这样我们设定 writeInterval 为 20。
OpenFOAM 会在每一个时间步内创建一个文件夹，例如 0.1 文件夹。正如4.1节所说，每个时间步下都有一系列数据。对于 icoFoam 求解器，它把速度 U 和压力 p 写入在每个时间步对应的文件夹中。对于这个算例，controlDict 设置如下：

第五步 离散方法和矩阵求解器设置

用户在 system 下的 fvScheme 文件中指定有限体积法的离散格式。在 system 下的fvSolution 文件下指定方程组矩阵求解器、残差以及其它算法控制。用户可以查看这些字典文件，目前我们不讨论这些内容，但是有必要提及 fvSolution 里面的 PISO 子字典中的 pRefCell以及 pRefValue。在一个封闭的不可压体系中，例如这个空腔，压力是相对的。跟绝对压力值来说，压力的相对范围比较重要。在类似的这种例子中，求解器通过 pRefCell 以及 pRefValue来设置参考值。这个例子中我们都设置为 0。改变其中任何一个值都会改变绝对压力场。但是不会改变相对压力场和速度场。

第六步 查看网格

在运行之前，我们最好检查一下网格以查看是否有错误。用户可以通过 ParaView 软件来查看网格， ParaView 是 OpenFOAM 推荐采用的后处理软件。针对 OpenFOAM 的数据， OpenFOAM中的 paraFoam 程序可以自动加载 OpenFOAM 数据并在当前文件位置运行 ParaView  。

UNIX/Linux 的任何可执行程序都可以采用两种方式来运行。如果用户以前置的方式来运行程序，则下一个命令需要在前一个命令运行结束后才能运行。如果用户以后台的方式运行程序，则可以同时运行其他程序。因为我们可能需要在运行 ParaView 的同时并使用其他命令，因此我们可以通过后台的方式来运行，用户需切换到算例文件夹下并键入：

paraFoam &
它也可以在非算例目录下的终端运行，但应该使用-case 命令参数，例如：
paraFoam -case $FOAM_RUN/cavity &

这会启动 ParaView 窗口，在 Pipeline Browser 下，用户可以看出 ParaView 已经打开了这个算例模块并称之为 cavity.OpenFOAM，在应用 apply 按钮之前，用户需要在 MeshParts 里面选择要显示的几何。因为这个算例文件很小，最简单的是在 Mesh Parts 旁的窗口里选择全部几何数据，这会自动的检查所有几何单元。然后用户点击 Apply，网格文件就会被ParaView 加载。

Display 面板控制所选模块的视觉效果。用户在 Display 面板下用户应该参照下图所示来进行操作: