如何在OpenFOAM中添加液相流体热物性

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液体火箭发动机具有比冲高、能反复启动、工作时间长短可任意设定、多次使用、推力可调节等优点，其燃烧包括如下子过程：喷雾、液膜形成、液滴蒸发、湍流混合、湍流燃烧、传热以及燃烧不稳定等。对液体燃料火箭发动机、喷注雾化点火器等装置内部液态流体燃烧过程进行精确的数值模拟仿真，有利于改进设备设计、改善工况及节能减排研究。

图片来源：https://web.stanford.edu/group/fpc/cgi-bin/fpcwiki/Main/Gallery

液态流体燃料燃烧模拟涉及到多相反应流之间的传热，液态流体在相变过程中，其热物性数值随温度发生动态变化，因此，需要在算例模拟开始之前拟合出液态流体各热物性随温度变化的曲线以准确计算液态流体蒸发速率、热流量等物理量，常用液态流体热物性诸如液态流体的摩尔质量、密度、蒸汽压、汽化焓、液体比热容、熵、理想气体比热容等。

这里主要介绍OpenFOAM添加液态流体热物性的方法，即建立liquidProperties文件、用NSRDSfunc函数拟合液态流体热物性曲线及编译liquidProperties文件。

以某案例添加液氧热物性进行说明，OpenFOAM添加液相流体热物性的工作原理如下：

liquidProperties文件包含两个重要文件，liquidProperties.C文件与O2文件，liquidProperties.C是O2.C文件的类模板。O2文件包含O2.C、O2.H和O2I.H三个文件，O2.C文件定义O2类并存储了液氧各热物性的系数值，O2.H和O2I.H声明O2类，O2.H文件确定拟合函数与热物性之间的对应关系。编译liquidProperties文件将液氧添加为哈希表（Hash Table）键值，在运行时选择机制（RTS）下，哈希表动态读取指定字典文件以获取液氧热物性数据。运行时选择机制的作用是通过C++宏的方式实现“虚构造函数”，依据不同对象类型调用不同的构造函数。下图是哈希表工作原理示意图。

哈希表示意图

liquidProperties文件的建立

通过以下路径可以找到OpenFOAM内置liquidProperties文件：

/opt/openfoam7/src/thermophysicalModels/thermophysicalProperties/liquidProperties

将其拷贝至算例目录，适当增加、删减、修改部分内容以包含编译liquidProperties文件所需的全部文件或文件夹。

该案例中，在liquidProperties文件下有O2、liquidProperties、Make、lnInclude文件夹与O2_fitting.py文件，下图是liquidProperties文件目录树结构示意图。

基于NSRDSfunc函数的液态流体热物性曲线拟合

液氧物性曲线拟合的理论是用OpenFOAM内置的NSRDSfunc函数来拟合液态甲烷物性随温度变化的公式曲线，并最终返回具体拟合NSRDSfunc函数的各系数值；液氧物性曲线拟合的思路是用python语言编写一个拟合曲线程序文件（这里采用了VS Code 编写python程序，并将其命名为O2_fitting.py），其最终要实现的功能是以不同线形式显示原曲线与拟合曲线并返回拟合系数值。

具体实现过程及部分程序代码如下：

Step 1

在程序开头部分导入必要的numpy软件包、matplotlib2D绘图工具、开源scipy库；

Step 2

定义NSRDSfunc函数

Step 3

将待拟合物性的原始公式定义成函数（注意单位换算），选择具体的NSRDSfunc函数作为拟合函数，并设置初始拟合系数与拟合系数边界

Step 4

运行程序，观察拟合结果

如未成功，需要回到Step 3：

若拟合曲线与原始曲线线形接近，只需修改初始拟合系数和拟合系数边界
若拟合曲线与原始曲线线形差异很大，需更改拟合函数，并重设初始拟合系数与拟合系数边界。

liquidProperties文件编译

编译之前，需要完成以下几项工作：

Step 1

在文件下Make/files文件中添加编译的目标源文件O2/O2.C并命名编译后生成的libs库文件；

Step 2

在Make/options文件中添加需要使用的外部链接库；

Step 3

在system/controlDict字典里添加libs链接库以便调用；

Step 4

在liquidProperties文件下输入wmake libso命令进行编译；

显示编译正确，OpenFOAM添加液态流体热物性成功。

OpenFOAM模拟液态流体燃料燃烧，需要添加液态流体热物性，方法归纳如下：建立liquidProperties文件，基于NSRDSfunc函数拟合液态流体热物性曲线得到液态流体主程序文件中（如O2.C）热物性的系数值，在liquidProperties/Make/files 文件里指定欲添加热物性液态流体的目标源程序文件（如O2.C）以及在liquidProperties/Make/options文件里添加所需外部链接库，输入wmake libso命令编译liquidProperties文件将液态流体添加为哈希表键值。

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