OpenFOAM｜算例 04 airFoil2D
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本文利用OpenFOAM中的simpleFoam求解器计算2D翼型。
”
1 基本操作
进入终端，执行以下命令将文件拷贝到当前路径
cd $FOAM_RUN
cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/simpleFoam/airFoil2D/ .
cd airFoil2D
执行命令查看计算网格
paraFoam
本案例的计算网格是在外部网格生成工具中直接生成，如下图所示。
翼型局部计算网格如下图所示。
采用2D计算区域，包含边界：inlet、outlet、walls以及frontAndBack。可以通过查阅constant/polyMesh/boundary文件检查边界名称及边界类型。
通过以下命令运行case及后处理：
simpleFoam
paraFoam
1.1 文件组织结构
本案例的文件组织如下所示，在0/nuTilda及0/nut文件中指定边界湍流参数，需要在constant/transportProperties及constant/turbulenceProperties文件中指定物性参数及湍流模型。
├── 0
│ ├── U
│ ├── nuTilda
│ ├── nut
│ └── p
├── constant
│ ├── polyMesh
│ │ ├── boundary
│ │ ├── cells
│ │ ├── faces
│ │ ├── neighbour
│ │ ├── owner
│ │ └── points
│ ├── transportProperties
│ └── turbulenceProperties
└── system
├── controlDict
├── fvSchemes
└── fvSolution
1.2 物性参数
在constant/transportProperties文件中指定介质的物性参数。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
location "constant";
object transportProperties;
}
// * * * * * * * * * * * * * * ** * * * * * * * * * * //
transportModel Newtonian;
rho [1 -3 0 0 0 0 0] 1;
nu [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-05;
这里指定了密度为1 kg/m3，运动粘度为1e-5 m2/s。
1.3 湍流模型
在constant/turbulenceProperties文件中指定湍流模型。文件内容如下。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
location "constant";
object turbulenceProperties;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * //
simulationType RAS;
RAS
{
RASModel SpalartAllmaras;
turbulence on;
printCoeffs on;
}
这里选择使用SpalartAllmaras湍流模型。
湍流模型的选择决定了在0文件夹中需要指定的湍流参数，SA模型需要额外指定nut及nuTilda。
这里的nuTilda（）为SA模型的待求变量。SA模型输运方程形式为：
这里的nut为湍流粘度（Turbulent Viscosity），其计算方式为：
其中，，且有。
关于SA模型，可参阅源代码（路径$FOAM_SRC/TurbulenceModels\turbulenceModels/RAS/SpalartAllmaras中的SpalartAllmaras.H及SpalartAllmaras.c）。
1.4 边界条件p
修改p文件定义边界压力。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volScalarField;
object p;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * //
//注意压力的量纲为m2/s2，是Pa除以kg/m3后的量纲
//不可压缩求解器都需要这样处理
dimensions [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField uniform 0;
boundaryField
{
inlet
{
type freestreamPressure;
freestreamValue $internalField;
}
outlet
{
type freestreamPressure;
freestreamValue $internalField;
}
walls
{
type zeroGradient;
}
frontAndBack
{
type empty;
}
}
这里指定了边界inlet与outlet的压力类型为freestreamPressure，并指定压力值为0。
freestreamPressure边界条件当流体流入边界时为zero gradient，当流体流出边界时为恒定压力值。
关于freestreamPressure边界类型更多的信息，可查阅$FOAM_RUN/finiteVolume/fields/fvPatchFields/derived/freestreamPressure文件夹下的文件。
1.5 边界条件U
修改U文件定义边界速度。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volVectorField;
object U;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions [0 1 -1 0 0 0 0];
internalField uniform (25.75 3.62 0);
boundaryField
{
inlet
{
type freestreamVelocity;
freestreamValue $internalField;
}
outlet
{
type freestreamVelocity;
freestreamValue $internalField;
}
walls
{
type noSlip;
}
frontAndBack
{
type empty;
}
}
这里指定了一个8°的攻角，来流速度为26 m/s。
freestreamVelocity边界类型也是一个in-outlet边界，当流体流入边界时采用指定的速度，当流体流出边界时为zero gradient。
1.6 nut文件
nut文件中指定边界的湍流粘度信息。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volScalarField;
object nut;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions [0 2 -1 0 0 0 0];
internalField uniform 0.14;
boundaryField
{
inlet
{
type freestream;
freestreamValue uniform 0.14;
}
outlet
{
type freestream;
freestreamValue uniform 0.14;
}
walls
{
type nutUSpaldingWallFunction;
value uniform 0;
}
frontAndBack
{
type empty;
}
}
1.7 nuTilda文件
nuTilda文件中指定边界的信息。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class volScalarField;
object nuTilda;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
dimensions [0 2 -1 0 0 0 0];
internalField uniform 0.14;
boundaryField
{
inlet
{
type freestream;
freestreamValue uniform 0.14;
}
outlet
{
type freestream;
freestreamValue uniform 0.14;
}
walls
{
type fixedValue;
value uniform 0;
}
frontAndBack
{
type empty;
}
}
1.8 指定ControlDict信息
该文件指定计算控制参数。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
location "system";
object controlDict;
}
// * * * * * * * * * * * * //
application simpleFoam;
startFrom startTime;
startTime 0;
stopAt endTime;
endTime 500;
deltaT 1;
writeControl timeStep;
writeInterval 50;
purgeWrite 0;
writeFormat ascii;
writePrecision 6;
writeCompression off;
timeFormat general;
timePrecision 6;
runTimeModifiable true;
文件中指定采用求解器simpleFoam，迭代次数为500次。
1.9 fvSchemes文件
此文件指定求解算法。
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 linearUpwind grad(U);
div(phi,nuTilda) bounded Gauss linearUpwind grad(nuTilda);
div((nuEff*dev2(T(grad(U))))) Gauss linear;
}
laplacianSchemes
{
default Gauss linear corrected;
}
interpolationSchemes
{
default linear;
}
snGradSchemes
{
default corrected;
}
wallDist
{
method meshWave;
}
1.10 fvSolution文件
此文件指定方程求解控制参数。
FoamFile
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
location "system";
object fvSolution;
}
// * * * * * * * * * * * //
solvers
{
p
{
solver GAMG;
tolerance 1e-06;
relTol 0.1;
smoother GaussSeidel;
}
U
{
solver smoothSolver;
smoother GaussSeidel;
nSweeps 2;
tolerance 1e-08;
relTol 0.1;
}
nuTilda
{
solver smoothSolver;
smoother GaussSeidel;
nSweeps 2;
tolerance 1e-08;
relTol 0.1;
}
}
SIMPLE
{
nNonOrthogonalCorrectors 0;
residualControl
{
p 1e-5;
U 1e-5;
nuTilda 1e-5;
}
}
relaxationFactors
{
fields
{
p 0.3;
}
equations
{
U 0.7;
nuTilda 0.7;
}
}
1.11 计算结果
压力分布
速度分布
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