本案例采用CFDSupprt的OpenFOAM for windows 19.10版本。描述利用simpleFoam计算稳态湍流流动。

1 案例描述

本案例计算模型如图所示。计算区域入口速度10 m/s，出口静压0 Pa，其他边界为光滑无滑移壁面。计算流动区域内流场分布。

2 OpenFOAM设置及运行

基本使用方法包括：

• 拷贝文件

cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/simpleFoam/pitzDaily .

如下图所示

• 利用blockMesh生成计算网格

cd pitzDaily
blockMesh

如下图所示。

• 执行计算

simpleFoam

如下图所示。

• 查看计算结果

paraFoam

如下图所示。

• 速度分布

• 压力分布

• 湍动能

3 案例文件

案例文件组织如下图所示。

相比较前面的案例，在0文件夹中中多了很多文件，constant文件夹中多了一个turbulenceProperties文件，system文件夹基本没什么变化。

0文件夹中处理p文件与U文件之外，多出的文件均为湍流相关文件。需要注意的是，不同的湍流模型需要配合不同的湍流文件。

3.1 Constant文件夹

constant文件夹中包含有网格信息文件夹polyMesh、介质属性文件transportProperties以及湍流模型文件turbulenceProperties。

1、transportProperties文件

transportProperties文件内容如下图所示。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "constant";
    object      transportProperties;
}

transportModel  Newtonian;
nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-05;

这里仅仅只是指定了流体粘度为1e-5 m2/s。

注意：这里的粘度值为介质的动力粘度与密度的比值，量纲也要相应的转化。

2、turbulenceProperties文件

turbulenceProperties文件内容为：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "constant";
    object      turbulenceProperties;
}

simulationType RAS;

RAS
{
    // Tested with kEpsilon, realizableKE, 
   // kOmega, kOmegaSST, v2f,
    // ShihQuadraticKE, LienCubicKE.
    RASModel        kEpsilon;
    turbulence      on;
    printCoeffs     on;
}

该文件指定采用RAS方法处理湍流，这实际上是雷诺应力平均的缩写。（很奇怪为何不用RANS，而采用了一个RAS这样一个容易引起误解的关键字）

文件同时指定了RAS模型为kEpsilon，该方法为RAS方法其中的一种。此处可以采用的RAS方法包括kEpsilon, realizableKE, kOmega, kOmegaSST, v2f, ShihQuadraticKE, LienCubicKE等。

3.2 0文件夹

constant文件夹中包含有众多的文件，需要用到哪些文件与选用的湍流模型有关。

注：该案例为测试案例，因此在0文件夹中将所有湍流模型所需的文件均包含进去了。若只是计算kEpsilon模型，则只需要k文件与epsilon文件即可。

测试案例中的相关文件：

• epsilon文件：所有ke系湍流模型均需要

• k文件：所有ke系湍流模型均需要。

• nut：所有的epsilon及omega系模型均需要

• nuTilda：常用于SA模型

• omega文件：所有omega系湍流模型需要

• v2文件：用于v2f模型

• f文件：用于v2f模型

其他模型的文件需求还包括：

• laminar：不需要文件

• LRR(RAS)：需要k，epsilon及R文件

• Smagorinsky(LES)：需要nuSgs

• oneEqEddy(LES)：需要k，nuSgs

• kEpsilon(RAS)：需要k，epsilon

• kOmega(RAS)：需要k，omega

本案例如果使用kEpsilon模型进行计算的话，则只需要文件k、epsilon、nut、p与U这5个文件。该文件夹中所有文件用于指定初始时刻边界值。

1、U文件

指定各边界速度值。该文件内容包括：

FoamFile
{
   version     2.0;
   format      ascii;
   class       volVectorField;
   object      U;
}

dimensions     [0 1 -1 0 0 0 0];

internalField   uniform (0 0 0);

boundaryField
{
   inlet
  {
       type    fixedValue;
       value    uniform (10 0 0);
  }

   outlet
  {
       type    zeroGradient;
  }

   upperWall
  {
       type    noSlip;
  }

   lowerWall
  {
       type    noSlip;
  }

   frontAndBack
  {
       type    empty;
  }
}

2、p文件

该文件指定压力分布。

FoamFile
{
   version    2.0;
   format    ascii;
   class    volScalarField;
   object    p;
}


dimensions    [0 2 -2 0 0 0 0];

internalField   uniform 0;

boundaryField
{
   inlet
  {
       type    zeroGradient;
  }

   outlet
  {
       type    fixedValue;
       value    uniform 0;
  }

   upperWall
  {
       type    zeroGradient;
  }

   lowerWall
  {
       type    zeroGradient;
  }

   frontAndBack
  {
       type    empty;
  }
}

3、k文件

k文件指定边界的湍动能。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      k;
}
 
dimensions      [0 2 -2 0 0 0 0];
internalField   uniform 0.375;
 
boundaryField
{
    inlet
    {
        type    fixedValue;
        value    uniform 0.375;
    }
    outlet
    {
        type    zeroGradient;
    }
    upperWall
    {
        type    kqRWallFunction;
        value    uniform 0.375;
    }
    lowerWall
    {
        type    kqRWallFunction;
        value    uniform 0.375;
    }
    frontAndBack
    {
        type    empty;
    }
}

文件中指定进口及壁面边界的湍动能为0.375 m2/s2，同时指定了壁面边界采用kqRWallFunciton壁面函数。

4、epsilon文件

epsilon文件指定湍流耗散率。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      epsilon;
}
 
dimensions      [0 2 -3 0 0 0 0];
internalField   uniform 14.855;
 
boundaryField
{
    inlet
    {
        type    fixedValue;
        value    uniform 14.855;
    }
    outlet
    {
        type    zeroGradient;
    }
    upperWall
    {
        type    epsilonWallFunction;
        value    uniform 14.855;
    }
    lowerWall
    {
        type    epsilonWallFunction;
        value    uniform 14.855;
    }
    frontAndBack
    {
        type    empty;
    }
}

文件中指定进口及壁面边界的湍流耗散率为14.855 m2/s3，同时指定了壁面边界采用epsilonWallFunciton壁面函数。

5、mut文件

mut文件用于指定湍流粘度比。

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       volScalarField;
    location    "0";
    object      nut;
}
 
dimensions      [0 2 -1 0 0 0 0];
internalField   uniform 0;
 
boundaryField
{
    inlet
    {
        type    calculated;
        value    uniform 0;
    }
    outlet
    {
        type    calculated;
        value    uniform 0;
    }
    upperWall
    {
        type    nutkWallFunction;
        value    uniform 0;
    }
    lowerWall
    {
        type    nutkWallFunction;
        value    uniform 0;
    }
    frontAndBack
    {
        type    empty;
    }
}

3.3 system文件夹

system文件夹中包含一些计算控制文件。

controlDict文件内容为：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    location    "system";
    object      controlDict;
}
 
application     simpleFoam;
startFrom       startTime;
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         2000;
deltaT          1;
writeControl    timeStep;
writeInterval   100;
purgeWrite      0;
writeFormat     ascii;
writePrecision  6;
writeCompression off;
timeFormat      general;
timePrecision   6;
runTimeModifiable true;
functions
{
    #includeFunc streamlines
}

这里指定endTime为2000，表示迭代2000步；指定writeTnterval为100，表示间隔100步保存一次计算结果。注意这里采用的是稳态计算。

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道