OpenFOAM｜08 第一个case

本文简单描述OpenFOAM计算案例的运行过程。

OpenFOAM中包含了众多的预制求解器，不同的求解器所需的字典输入文件可能存在较大差异，想要记住每个求解器所需的字典文件是非常困难的，所以一般情况下设置案例时，通常是在OpenFOAM案例库中找一个与自己问题足够接近的案例，然后根据自己的物理情况对案例进行修改。

OpenFOAM内置案例存放在路径$FOAM_TUTORIALS中。OpenFOAM没有GUI图形界面，所有的操作都是通过终端命令来完成，所以在使用OpenFOAM之前，最好复习一下Linux系统的基本命令操作。

本文从一个方腔顶盖流计算入手，详细介绍OpenFOAM案例文件的设置。

1 问题描述

要计算的物理问题如下图所示。

• 控制方程为不可压缩层流NS方程
• 计算区域为二维，但是也可以扩展为三维
• 为了求得数值解，需要对计算区域进行离散，设置边界条件与初始条件，定义流体属性，设置数值格式与求解器参数
• 在处理不可压缩流动时，采用相对压力进行计算
• 已预制好所有的字典文件

本案例采用icoFoam求解器进行计算，这是一个瞬态不可压缩层流求解器，一般情况下不建议在工程应用中使用此求解器，因为icoFoam的建模功能很弱，工程问题可以采用pisoFoam或pimpleFoam求解器，它们的模拟能力要比icoFoam强很多。

2 计算过程

所有的操作工作都在Linux终端中完成（Windows系统中可以使用WSL）。

• 从tutorials文件夹中复制文件到用户工作目录

cd $FOAM_RUN
cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/icoFoam/cavity/cavity .

注意第二条命令最后面的.，表示将文件拷贝到当前文件夹中。-r表示连文件夹中的子文件一起拷贝。

• 生成计算网格

cd cavity
blockMesh
checkMesh

网格生成以及后面的计算都必须在案例文件夹内部进行，因此先利用cd命令进入到案例文件夹中；blockMesh为OpenFOAM内置的分块网格生成器；checkMesh程序主要用于统计网格信息并检查网格质量。

• 进行计算

icoFoam

直接运行icoFoam进行计算。

• 查看计算结果

paraFoam

采用命令paraFoam会启动paraview并读取结果数据，之后可以进行后处理计算。这里也可以利用命令touch cavity.foam创建一个空文件，然后手工启动paraview读取此文件进行后处理。

最终时刻速度分布如图所示。

3 保存计算信息

3.1 保存计算过程信息

前面的计算过程中，求解器输出到终端的信息并不会被保存。当需要对计算过程进行调试时，这些信息非常重要，因此很有必要将其保存到文件中。

可以利用Linux中的tee命令将这些信息保存到文本文件中。如在cavity文件夹下面的操作命令：

foamCleanTutorials
blockMesh | tee log.blockMesh
checkMesh | tee log.checkMesh
icoFoam | tee log.icoFoam

命令中的foamCleanTutorials命令用于清除除了0、constant及system文件夹之外的所有文件；所有的log文件名都可以任意取。

执行完毕后查看工作目录，如下图所示，可以看到日志文件已经保留到路径中了。

这些日志文件都是文本文件，可以使用任何文本编辑器打开。

若想要绘制数据图形，可以利用命令：

foamLog log.icoFoam

该命令会将log.icoFoam文件中的数据进行分解。

之后可以利用gnuplot进行图形绘制。

gnuplot
set logscale y
plot 'logs/p_0' using 1:2 with lines

在终端输入gnuplot可进入gnuplot设置绘图环境（注意要先安装gnuplot）。终端显示如下图所示。

此时可以输出压力残差，如下图所示。

类似的命令还可以输入：

plot 'logs/p_0' using 1:2 with lines, 'logs/pFinalRes_0' using 1:2 with lines
reset
plot 'logs/CourantMax_0' u 1:2 w l
set logscale y
plot [30:50][] 'logs/Ux_0' u 1:2 w l title 'Ux','logs/Uy_0' u 1:2 w l title 'Uy'

关于gnuplot的使用，可以参阅该软件的官方文档。

3.2 查看计算残差

若想要在计算过程中查看残差信息，可以采用两种方案：

• 方法1：利用OpenFOAM提供的工具foamMonitor，配合字典文件residuals一起使用
• 方法2：利用pyFoam进行残差显示

对于foamMonitor，可以利用以下命令添加residuals字典：

foamGet residuals

打开system/controlDic文件，添加语句：

functions
{
    #includeFunc residuals
}

然后运行案例：

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

图形显示结果如下图所示。

若要使用pyFoam进行残差显示，需要首先安装pyFoam，这可以使用pip或pip3进行安装。

pip3 install pyFoam

安装完毕后，可以使用pyFoamPlotRunner.py或pyFoamPlotWatcher.py进行残差查看。

icoFoam > log.icoFoam
pyFoamPlotWatcher.py log.icoFoam

输出图形如下图所示。

注：

不建议使用pyFoam，虽然很多时候比较方便，但pyFoam很多时候动不动罢工。

”

3.3 终止计算

计算终止条件在system/controlDict文件中进行指定。

application     icoFoam;
startFrom       startTime;
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         0.5;
deltaT          0.005;
writeControl    timeStep;

在该文件中包含关键字endTime，其规定了计算结束时间。如上示例中指定了结束时间为50 s。

若想要停止仿真计算并且保存计算结果，可以在controlDict字典文件中修改：

stopAt writeNow;

此时会终止计算并保存当前时刻数据。

若想要动态修改计算停止条件，需要在controlDict字典文件中增加关键字runTimeModifiable为true，如：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * //
runTimeModifiable true; //采用动态修改的方式
application     icoFoam;
startFrom       startTime;
startTime       0;

也可以在OpenFOAM计算过程中采用键盘ctrl c组合键强行终止，但是采用此方式终止进程的话，OpenFOAM不会保存最终时间步或迭代步得到的数据。

3.4 清理文件

如果想要清除案例文件夹中的网格与计算结果文件，可以通过命令foamCleanTutorials来实现。若是并行计算的文件夹，此命令也会清除所有的processorN目录。

foamCleanTutorials

若只想清除网格文件，可以在终端输入foamCleanPolyMesh命令。

foamCleanPolyMesh

若只想清除保存的结果文件，可以在终端输入：

foamListTimes -rm

若想要删除并行计算的结果文件，可以在终端输入：

foamListTimes -rm -processor