OpenFOAM講座-高級(jí)篇-殷亮

1、開(kāi)源計(jì)算力學(xué)軟件開(kāi)源計(jì)算力學(xué)軟件OpenFOAM講座講座OpenFOAM的結(jié)構(gòu)和能力的結(jié)構(gòu)和能力南京工業(yè)大學(xué)城市建設(shè)與安全工程學(xué)院OpenFOAM研討小組研討小組QQ群號(hào)碼：127471850殷亮2010.12.18于南京本講稿的內(nèi)容參考了Hrvoje Jasak的演講內(nèi)容，版權(quán)OpenFOAM研討小組，遵守GPL協(xié)議，歸可自由的復(fù)制和拷貝。1、OpenFOAM介紹 OpenFOAM：面向?qū)ο蟮挠?jì)算力學(xué)數(shù)值模擬庫(kù) 對(duì)偏微分方程算子實(shí)施有限體積離散（積分形式） 故最多處理二階方程（傳遞方程適用） 使用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格（但精度與網(wǎng)格相關(guān)性較大） 以類封裝的形式提供離散和數(shù)值算法（最大優(yōu)點(diǎn)） 有效的進(jìn)行

2、大規(guī)模并行化計(jì)算，并且在很多平臺(tái)可以移植和調(diào)試（底層并行化實(shí)施） 同時(shí)提供： 自動(dòng)網(wǎng)格運(yùn)動(dòng) 網(wǎng)格拓?fù)涓淖儯后w單元的層化，滑動(dòng)界面（ggi）及其它 拉格朗日粒子追蹤及噴射 有限元離散及有限面積離散（ext版本） 工具類庫(kù)：ODE求解器、熱物理屬性、CHEMKIN界面OpenFOAM是什么是什么1.1、OpenFOAM歷史 上世紀(jì)90年代掀起的C+及面向?qū)ο缶幊蹋ㄖ饕鉀Q軟件危機(jī)） OpenFOAM與英國(guó)帝國(guó)大學(xué)Gosman 的小組和熱流體分部相關(guān)聯(lián)（Spalding、帕帕坦卡S.V.Patankar的研究相關(guān)，PHOENICS與STAR-CD-非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格） 初始類來(lái)自于Charlie Hill

3、(1993)的博士論文 數(shù)值工作來(lái)自于1993年Henry Weller和Hrvoje Jasak（兩個(gè)版本）1、 OpenFOAM背景2開(kāi)發(fā)與應(yīng)用 OpenFOAM 的的PhD項(xiàng)目包括：數(shù)值分析、誤差估計(jì)、網(wǎng)格自適應(yīng)、RANS、LES湍流模型、自由液面、多相流等等 材料力學(xué)：非線性結(jié)構(gòu)分析（如何分量解耦）、接觸彈塑性、流固耦合 在Chalmers大學(xué)的Diesel噴射模型 瑞士軍方應(yīng)用（水動(dòng)力） 多所大學(xué)貢獻(xiàn)：Imperial College: Poly Milano, Chalmers University, University of Zagreb, Croatia, Universit

4、y College Dublin, Kings College London等 在cfd-online上其活躍程度與FLUENT相當(dāng)3、版本發(fā)展 在2000年，F(xiàn)OAM作為Nabla公司的商業(yè)版本 與Fluent公司進(jìn)行策略合作：為下一代CFD軟件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)（ Hrvoje Jasak） 自2002年提供了大學(xué)免費(fèi)版本 滿足復(fù)雜要求的高端客戶 在2004年10月提供公共域版本支持4、 OpenFOAM和C+ OpenFOAM基于堅(jiān)實(shí)而徹底的C+開(kāi)發(fā) OpenFOAM實(shí)施要早于C+的穩(wěn)定版本的推出，故其并未用標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，但其類庫(kù)也隨語(yǔ)言而進(jìn)化 其核心代碼不斷的重寫(xiě)或提煉：清除冗余代碼、使用新的語(yǔ)言

5、知識(shí)和程序理念 其代表了在面向?qū)ο蟆⒛K化、代碼重用方面的經(jīng)典案例，值得研讀。5、 OpenFOAM完成了以下的創(chuàng)新 多面體網(wǎng)格支持 新的自由液面算法 Halo-free并行化（無(wú)ghost） 自動(dòng)多面體（任意）網(wǎng)格求解器 新方法進(jìn)行拓?fù)渚W(wǎng)格變化 通過(guò)實(shí)時(shí)選擇表進(jìn)行用戶定制1.2設(shè)計(jì)理念 用戶修改要預(yù)先定義 模型與模型作用的矩陣過(guò)于復(fù)雜 難于開(kāi)發(fā)、維護(hù)及支持 缺少支持層：不同相關(guān)性的代碼混合在一起難以區(qū)分 開(kāi)發(fā)與維護(hù)需要大的團(tuán)隊(duì) 即使小的改變也需要專業(yè)的知識(shí) 化很長(zhǎng)時(shí)間才能變得專業(yè) 封閉的框架，對(duì)用戶而言存在代碼重用性問(wèn)題 單一的開(kāi)發(fā)使得需要單一的測(cè)試1曾經(jīng)主流的設(shè)計(jì)特點(diǎn) 有利于新模型的實(shí)現(xiàn)

6、無(wú)介入的分層開(kāi)發(fā) 便利的代碼重用及模塊化 能應(yīng)用于超出流體流動(dòng)的更多應(yīng)用 在不改變已有組件的條件下實(shí)現(xiàn)代碼的開(kāi)發(fā)和定制化 如下例2、新的理念軟件中方程的表達(dá)為 solve ( fvm:ddt(k) + fvm:div(phi, k) - fvm:laplacian(nu() + nut, k) = nut*magSqr(symm(fvc:grad(U) - fvm:Sp(epsilon/k, k) );3、分層實(shí)現(xiàn) 軟件中不同的功能層 張量代數(shù) 場(chǎng)代數(shù) 場(chǎng)的映射和差分 不同類型的離散 有限體積方法 有限元 網(wǎng)格處理、網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)、拓?fù)涓淖?差分格式 拉格朗日追蹤 邊界條件定制化 線性方程組求解技術(shù)

7、 分離的物理模型 應(yīng)用程序的定制 流體流動(dòng)、傳熱 燃燒、湍流、噴射 電磁學(xué) 其它 模型組合：流固耦合 各層可以獨(dú)立開(kāi)發(fā)，同時(shí)又相互依賴。4、用戶考慮因素 功能能交換，考慮使用同一界面，使用實(shí)時(shí)選擇表 功能塊可選 用戶定制：線性方程求解、梯度計(jì)算、對(duì)流差分格式 開(kāi)源高層代碼共享 自動(dòng)優(yōu)化：內(nèi)存和執(zhí)行分支1.3、使用 面向問(wèn)題的求解器框架 通用的CFD軟件包不可能預(yù)先知道并滿足求解器需求 不能寫(xiě)出完全通用的求解器 取而代之的是數(shù)值庫(kù)及實(shí)施代碼重用 通過(guò)重用提供基本工具直至需求滿足 如果重用很難，繼續(xù)分解代碼，并重寫(xiě)代碼 伴隨著高層應(yīng)用的工具開(kāi)發(fā) 求解器的編寫(xiě)及優(yōu)化 所有這些，使得要檢查建立求解器必

8、要的部件，再檢查能否用在其它處（重用性）。2、主要的對(duì)象及相互關(guān)系 從面向?qū)ο蟮挠^點(diǎn)，在于識(shí)別對(duì)和它們所需提供的功能。2.1 元類及容器類其封裝了label,scalar,bool,string,complex1、元類2、容器類(內(nèi)存管理問(wèn)題） OpenFOAM寫(xiě)在STL之前，所以有自己的容器類 容器類對(duì)代碼的優(yōu)化相當(dāng)重要，需要緊密的控制 所有的容器類都以內(nèi)容類型作為模板具體實(shí)現(xiàn) Lists：數(shù)組容器 List：提供序列存儲(chǔ)的容器，類似于數(shù)組，為數(shù)值求解的主要容器，將其視為對(duì)單一內(nèi)存的封裝 SubList：對(duì)List的片段抽?。ɑ谛士紤]） DynamicList： 具有動(dòng)態(tài)長(zhǎng)度的List

9、Linked List：動(dòng)態(tài)數(shù)組 SLList：?jiǎn)捂?DLList：雙鏈 Hash Tables HashTable HashSet：無(wú)內(nèi)容 指針物體的容器： List被創(chuàng)建時(shí)，默認(rèn)為無(wú)參構(gòu)造函數(shù)，但有些對(duì)象沒(méi)有無(wú)參構(gòu)造，或不能被拷貝，則要使用指針列代替對(duì)指針列需要附帶操作：哪一個(gè)元素已經(jīng)被設(shè)置了在列的構(gòu)析函數(shù)執(zhí)行中，誰(shuí)負(fù)責(zé)刪除指針PtrList存儲(chǔ)指針的容器 字典（Dictionary）處理數(shù)據(jù)的輸入和輸出關(guān)鍵字-值對(duì)的嵌入次序無(wú)關(guān)，用分號(hào)隔開(kāi)允許嵌入表：表的表 處理數(shù)據(jù)的輸入和輸出Ioobject封裝了隱式對(duì)象注冊(cè)管理（樹(shù)形結(jié)構(gòu)）所有的物體都應(yīng)該從一個(gè)文件讀或?qū)慖Oobject由名字、類名

10、、路徑、對(duì)注冊(cè)對(duì)象objectRegistry的應(yīng)用、決定儲(chǔ)存狀態(tài)的參數(shù)來(lái)創(chuàng)建：MUST_READ、READ_IF_PRESENT、NO_READ 、AUTO_WRITE、 NO_WRITE objectRegistry管理者讀寫(xiě)請(qǐng)求2.2、空間和時(shí)間的描述 1空間的描述 空間為基本的計(jì)算網(wǎng)格。其主旨為網(wǎng)格獨(dú)立于離散，應(yīng)該滿足合法的網(wǎng)格需求網(wǎng)格元 點(diǎn) 邊（兩點(diǎn)） 面（點(diǎn)列） 體（面列） 提供體網(wǎng)格的識(shí)別，主要可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格轉(zhuǎn)化及后處理多面體網(wǎng)格 點(diǎn)列 面列 體列 邊界網(wǎng)格（元面網(wǎng)格列） 要保證有序 元網(wǎng)格和元面網(wǎng)格 此兩類提供了網(wǎng)格特拓?fù)浜蛶缀涡畔?幾何 體中心 面中心 體體積 面面積 邊界長(zhǎng)

11、拓?fù)湫畔?圍繞體的面 體-體 點(diǎn)-面 支持網(wǎng)格運(yùn)動(dòng)，拓?fù)涓淖?時(shí)間描述 控制時(shí)間和迭代次數(shù) 控制數(shù)據(jù)庫(kù)讀寫(xiě) Time類為頂層類 時(shí)間記錄 起始時(shí)間 結(jié)束時(shí)間 時(shí)間步長(zhǎng) CPU時(shí)間 經(jīng)歷時(shí)間 處理物體注冊(cè)功能 I/O注冊(cè) Root和case路徑 讀寫(xiě)控制、格式及精度2.3、張量運(yùn)算1、張量基礎(chǔ) 矢量和張量的運(yùn)算 采用笛卡爾坐標(biāo)描述 采用自動(dòng)的擴(kuò)展到n階的張量運(yùn)算，三維， 現(xiàn)為二階 使用模板2、實(shí)施 模板的使用，可以拓展到complex VectorSpace解決通用性 類型的自動(dòng)演繹（typname功能） 運(yùn)算符重載 分量采用枚舉類，不用列舉多個(gè)函數(shù)名 包含維數(shù)和階數(shù)信息2.4 場(chǎng)及場(chǎng)的代數(shù)1.

12、 場(chǎng)對(duì)象張量列+運(yùn)算的再實(shí)施場(chǎng)的場(chǎng)2.邊界條件：面網(wǎng)格場(chǎng) 不光是數(shù)，包含了行為信息，如本值和梯度值 實(shí)時(shí)讀取 虛界面虛函數(shù)界面繼承與面網(wǎng)格場(chǎng)類可定制與特性和功能相關(guān)，與并行3.單位 單位一致可運(yùn)算 單位檢查 自動(dòng)單位運(yùn)算（嵌于場(chǎng)）4、幾何場(chǎng)必要條件 值和邊界條件 網(wǎng)格 值在幾何下的關(guān)系 內(nèi)部場(chǎng)和邊界場(chǎng)分離如此 對(duì)mesh的引用 內(nèi)場(chǎng) 邊界場(chǎng)-場(chǎng)的場(chǎng)：含邊界幾何、訪問(wèn)內(nèi)場(chǎng)、邊界條件由于面場(chǎng)為離散服務(wù)，模板處理不同類型單位幾何場(chǎng)為一完整的獨(dú)立單元 為其注冊(cè)入數(shù)據(jù)庫(kù) 繼承于IOobject，讀寫(xiě)處理3、矩陣支持lduMatrix類 矢量稀疏矩陣 對(duì)角線，上三角和下三角分別存儲(chǔ) lduAddressi

13、ng類地址索引1、稀疏矩陣具有基本的矩陣代數(shù) M+M S*M 低松弛因子 矩陣矢量乘矩陣結(jié)構(gòu)的識(shí)別和求解器的選擇 只有對(duì)角線 對(duì)稱性矩陣 非對(duì)稱性矩陣2、線性方程求解器 繼承于lduMatrix:solver 實(shí)施了迭代求解器ICCGBi-CGAMG 通過(guò)C指針優(yōu)化 并行化通過(guò)lduCoupledInterface類，升級(jí)矩陣矢量乘3、有限體積矩陣 對(duì)矢量和張量采用分離求解 儲(chǔ)存b 處理邊界條件 實(shí)施FV相關(guān)的操作 H()4、偏微分方程表達(dá)高層機(jī)制 網(wǎng)格代表空間 時(shí)間代表進(jìn)展和迭代 帶有單位和邊界條件的幾何場(chǎng) 微積分類 矩陣支持、儲(chǔ)存及吸收處理 線性方程求解器 方法類，轉(zhuǎn)化算子為矩陣處理方程 方程離散現(xiàn)在能通過(guò)算子的復(fù)合操作 最終體現(xiàn)為對(duì)矩陣的貢獻(xiàn) 單位檢查，單元離散，網(wǎng)格支持，并行化都在底層完成，與方程看似無(wú)關(guān) 離散受表控制 如此，其能解決一大類計(jì)算力學(xué)問(wèn)題。5、物理模型 當(dāng)前的機(jī)理足夠?qū)懗鰪?fù)雜的物理模型 但不方便，如湍流模型等使流動(dòng)求解器復(fù)雜化 模型可實(shí)時(shí)選擇 不是寫(xiě)大通用的湍流問(wèn)題可執(zhí)行程序 而是要分裝這些模型1、方程表達(dá)2、物理模型相互作用數(shù)值模擬軟件的復(fù)雜性多數(shù)在于模型與模型的相互作用如：動(dòng)量方程和湍流模型 動(dòng)量方程需要雷諾應(yīng)力和湍流粘度 湍流方程需要速度場(chǎng)合應(yīng)力信息 湍流不同，結(jié)果不同 還有如非牛頓粘性模型，矩陣的相互作用等3、模型庫(kù) 將同