本案例演示利用icoFOAM计算elbow中流体混合问题。

0 目标

• OpenFOAM案例基本设置

• 设置p与U的初始值

• 边界条件定义

1 前处理

1.1 设置系统环境

在执行下面操作之前，确保OpenFOAM及系统环境已经配置完毕。关于如何设置系统环境，可以参阅OpenFOAM官网（https://openfoam.org/）安装步骤。

注：作为一个打算耍开源的CFDer，如果连软件安装都搞不定的话，那还是老老实实耍商软吧。为了鼓励那些手残道友，我这里提供已经安装了OpenFOAM的linux mint19.3系统。下载地址链接：https://pan.baidu.com/s/1bvv9L1cerjPOa6q5oh_X5w 提取码：rprh ，下载完毕后利用virturalBox导入即可。

1.2 拷贝文件

在终端窗口中利用以下命令拷贝案例文件：

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

注：

1、$FOAM_RUN与$FOAM_TUTORIALS均为系统内置环境变量，代表了OpenFOAM安装路径下的某个目录；

2、cd命令为切换路径；

3、cp命令为拷贝文件，-r表示连文件夹一起拷贝。

4、注意最后一行命令中末尾的点，表示将文件夹中的内容拷贝到当前目录下

命令执行如下图所示。

可利用以下命令查看当前路径下文件。

cd elbow
ls

命令执行如下图所示。

建议：通过命令sudo apt-get install tree安装程序tree，然后输入命令tree查看路径组织结构

文件路径组织结构如下图所示。

文件夹中包含3个子文件夹：0、constant以及system。其中0文件夹存储物理量的初始值及边界值；constant文件夹存储物性参数以及网格参数等；system文件夹存储求解控制参数。

1.3 转换网格

本案例文件为GAMBIT生成的.msh文件，可以利用命令将其转换为OpenFOAM能够识别的文件。

注：用户也可以利用其它软件（如ICEM CFD、Fluent Meshing等）生成.msh格式网格文件，但在输出网格时确保网格文件格式为ascii。

在终端窗口中输入以下命令：

cd $FOAM_RUN/elbow
fluentMeshToFoam elbow.msh

注：该命令将elbow.msh转换为OpenFOAM格式。具有相同功能的命令为fluent3DMeshToFoam，此命令能保存内部边界。

命令fluentMeshToFoam能将fluent网格文件转化为OpenFOAM格式，该命令的使用方式如下图所示。

注：fluentMeshToFoam能够带参数-scale，从而在转换过程中缩放网格。如使用命令fluentMeshToFoam elbow.msh -scale 0.001为将网格沿各方向缩小1000倍。

转换完毕后，constant文件夹下多了个polyMesh文件夹，其中存储了网格信息。

打开boundary文件，如下图所示。网格中包含边界wall-4、velocity-inlet-5、velocity-inlet-6、pressure-outlet-7、wall-8、frontAndBackPlanes，这些边界名称在设置初始值与边界值时需要保持一致。

注：1、若使用的是OpenFOAM V1906版本，边界文件中inGroups关键字中没有List。2、本案例使用的msh文件为采用gambit生成，而gambit中并没有empty边界类型。这里在转换过程中，将2D网格转换成3D网格过程中，自动将法向方向转换为empty边界类型。

1.4 指定材料参数

材料介质属性在constant/transportProperties文件中指定。

终端输入命令打开transportProperties文件：

cd $FOAM_RUN/elbow/constant
gedit transportProperties

该文件内容：

此文件中，指定了流体介质粘度。

nu [0 2 -1 0 0 0 0] 0.01指定介质粘度为0.02 m2/s。

1.5 修改0文件夹

0文件夹中包含了P文件与U文件，其中分别存储了压力与速度的初始值与边界值。通常需要设置。

终端输入命令打开p文件：

cd $FOAM_RUN/elbow/0
gedit p

注：gedit是一款文本编辑器，这里可以用任一款文本编辑器替代，如使用nano、vim、emacs等。

• p文件内容

关于p文件的内容：

• FoamFile。为文件头，里面包含一些p文件相关信息，如版本、格式、类型、对象等。绝大多数情况下不用理会。

• dimensions。为量纲信息，需要指定压力量纲。这里指定的压力量纲为m2/s2，是单位质量的压力（量纲为压力除以密度）。方括号中的量纲为[kg m s K mole A cd]，分别对应质量、长度、时间、温度、物质的量、电流、光强。

• internalField。为计算区域中的物理量指定初始场。其包含两种类型：uniform和non-uniform。采用uniform可以为计算域中所有网格单元指定一个值，而non-uniform则可以为每个网格单元指定值。

• boundaryField。该字段中指定了各边界的初始压力值，要注意边界名称与前面网格文件boundary中的名称保持完全一致。

• zeroGradient。指定该边界物理量梯度为零（Neumann边界类型）

• fixedValue。显示指定边界上的物理量值。（Dirichlet边界类型）

• empty。此类型出现在2D模拟中，指定为该类型的边界不参与计算。

• 本案例指定边界pressure-outlet-7的压力值为0，其他边界采用的是zeroGradient

• U文件内容

关于U文件：

1、dimension [0 1 -1 0 0 0 0]表示为速度量纲m/s

2、internalField uniform (0 0 0)表示内部初始速度场(0 0 0)

2、这里设置壁面边界（wall-4与wall-8）类型为noSlip，表示无滑移壁面

3、指定边界velocity-inlet-5的速度(1 0 0)，表示其为x方向速度1 m/s

4、指定边界velocity-inlet-6速度为(0 3 0)，表示为y方向速度3 m/s

1.6 修改system文件夹

system文件夹中包含4个文件：controlDict、fvSchemes、fvSolution及foamDataToFluentDict。其中foamDataToFluentDict是之前网格转换过程中自动生成的，可以不用理会。需要修改或设置的文件只有controlDict、fvSchemes、fvSolution。

关于文件：

• controlDict。该文件指定求解计算中的控制参数，如计算时间、时间步长等数据。

• fvSchemes。该文件指定各控制方程的离散格式。

• fvSolution。该文件包含压力速度耦合算法、各偏微分方程的求解算法及残差。

• 用文本查看器查看并修改controlDict文件

关于controlDict文件：

• application：指定使用的求解器。本案例采用求解器icoFoam

• startFrom：指定从哪个保存的时刻文件开始计算。本案例采用latestTime。若只有0文件夹，则从0时刻开始

• startTime：指定初始计算时刻，本案例从0 s开始

• stopAt：指定终止时刻，本案例指定为endTime

• endTime：终止时间，本案例设置为75s

• deltaT：指定时间步长，本案例为0.05s

• writeInterval：指定文件写出间隔，这里间隔20步写入1次

其他控制文件内容再后续的教程中再讨论。

2 求解计算

终端中执行以下命令进入elbow目录下并启动icoFoam求解器。

cd $FOA_RUN/elbow
icoFoam

如下图所示。

此时计算机开始计算，默认情况下并无任何残差显示。若想要显示计算残差，可以利用foamMonitor输出计算残差，在这之前需要进行一些设置。

• 拷贝系统中的Residuals文件夹到当前计算case的system文件夹下，可利用以下命令寻找residuals文件夹所在位置

find /opt/openfoam7 -name residuals

如下图所示会列出在cd 文件路径/opt/openfoam7下的包含residuals文件夹的所有列表，其中黄色框选路径即系统提供的用于生成残差曲线的residuals文件。

• 将residuals文件拷贝到当前case路径下的system文件夹中

• 编辑system/controlDict文件，在文件末尾添加如下信息

functions
{
    #includFunc residuals
}

修改后文件内容如图所示。

• 重新运行案例

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

3 计算结果

当计算完毕后，可以通过paraView查看计算结果。在终端输入命令：

cd $FOAM_RUN/elbow
paraFoam

软件自动启动ParaView并加载计算结果文件。

• 速度分布

• 压力分布

本篇文章来源于微信公众号: CFD之道