了解OpenFOAM的道友都知道，OpenFOAM的文档写的是真的太过于简洁，以至于想要通过文档了解OpenFOAM变得非常困难。好在当前AI技术先进，从全局代码出发，对整个代码架构进行解读及总结变成了可能。

本系列文档利用AI对OpenFOAM 12的github仓库代码进行全局扫描并总结，希望对于OpenFOAM的学习能够提供一些帮助。

注意，文档内容为AI自动生成，虽然经过了简单的人工审核，但内容中依然可能会存在一些错误，请仔细甄别。添加原创标记仅为方便创建合集。

OpenFOAM（Open-source Field Operation And Manipulation）是一个用于开发定制数值求解器和前后处理工具的C++工具箱，主要用于求解连续介质力学问题，最常见的是计算流体力学（CFD）。本文档介绍了OpenFOAM-12、其架构以及主要组件之间的关系。

1 OpenFOAM是什么？

OpenFOAM以一系列协同工作的库组成，用于构建可执行应用程序。这些应用程序分为两大类：

1. Solvers：专门求解连续介质力学领域特定问题的应用程序
2. Utilities：执行前处理、后处理以及支持仿真流程其他任务的辅助程序

该框架具备高度可扩展性，支持用户通过复用现有组件或开发新模块，创建定制化的求解器和工具程序。

2 核心架构

OpenFOAM的核心由几个关键系统构成：

1. 时间管理系统（foam::Time）：控制模拟的时间维度，触发函数对象，并作为顶级对象注册表。它负责时间步进、按指定间隔输出数据，以及确定模拟的开始和结束时间。

2. 有限体积网格系统（fvMesh）：将离散化的域表示为单元、面和点的集合。它处理网格拓扑、几何结构及连接性，并通过网格缝合器处理非共形接口。

3. 字典系统（dictionary）：提供一种分层配置机制，贯穿于OpenFOAM中。工具如foamDictionary可用于操作这些字典。

4. 物理场系统（GeometricField）：存储并管理与网格元素相关的物理变量（如速度、压力、温度等）。

5. 函数对象系统（functionObjectList）：提供框架，用于在模拟过程中执行操作，如计算派生量、输出特定数据或修改模拟状态。

3 环境及配置

OPENFOAM的环境配置通过以下方式实现：

1. 环境设置脚本（etc/bashrc、etc/cshrc）：设置环境变量、路径以及OPENFOAM的默认配置。

2. 案例结构：每个OPENFOAM模拟都组织为一个案例目录，包含以下内容：

• system/：包含控制模拟参数的字典（如controlDict）、离散格式（如fvSchemes）以及求解器设置（如fvSolution）。
• constant/：包含物理属性和网格定义。
• Time目录：存储不同模拟时间点的场数据。

3. Control字典（controlDict）：位于system/目录中，是模拟的主要配置文件，定义时间步长、写入间隔以及要执行的函数对象等参数。

4 仿真及数据流

OPENFOAM的模拟流程通常遵循以下步骤：

1. 前处理：

• 使用工具如blockMesh或snappyHexMesh生成网格
• 指定边界条件
• 定义物理属性

2. 模拟设置：

• 使用decomposePar进行并行计算时的计算域分解
• 在字典中配置模拟参数

3. 求解器执行：

• 由Time类控制时间步进
• 使用有限体积离散进行矩阵组装和求解
• 按指定间隔执行函数对象

4. 后处理：

• 使用reconstructPar进行域重建（针对并行计算）
• 使用paraFoam（ParaView的封装）进行可视化
• 使用postProcess和其他工具进行数据分析

5 网格和场表示

OpenFOAM 通过以下方式表示计算域及其相关数据：

1. 网格表示：

• polyMesh：基础网格类，提供拓扑信息（单元、面、点）。
• fvMesh：有限体积网格类，扩展了 polyMesh，为有限体积离散化提供额外功能。
• 边界网格和Patch，表示具有不同条件的域边界。

2. 场表示：

• volField：单元中心场（例如压力、温度）。
• surfaceField：面中心场（例如通量）。
• pointField：点中心场。
• GeometricField：模板类，用于表示与网格实体相关的场。
• 根据数据存储位置的不同，场类型包括：

3. 边界条件：

• 通过专门的patch场（fvPatchField 的派生类）应用。
• 提供多种类型：固定值、固定梯度、混合等。

6 字典系统

字典系统提供了一种用于整个OpenFOAM的分层键值配置机制。

字典系统的关键要素：

1. 字典类：

• dictionary：用于存储层次化键值对的基类
• IOdictionary：为字典添加输入输出功能
• controlIOdictionary：专为控制字典设计

2. 条目：

• entry：字典条目的基类
• primitiveEntry：用于简单值（如数字、字符串等）
• dictionaryEntry：用于嵌套字典

3. 特殊功能：

• 用于高级功能的函数条目（如#include、#calc）
• 使用正则表达式模式匹配进行键查找
• 通过foamDictionary工具进行操作

7 功能对象系统

功能对象提供了在模拟过程中执行操作的框架：

1. 核心类：
• functionObject：定义接口的抽象基类
• functionObjectList：管理所有活动功能对象的容器
• timeControl：控制功能对象何时执行
2. 与时间系统的集成：
• 功能对象由 Time 类在时间步进期间触发
• 它们可以在模拟开始、每个时间步进期间或模拟结束时执行
3. 典型的功能对象：
• 力和力矩计算
• 场平均值和操作
• 数据采样和导出
• 运行时可视化和后处理

8 总结

OpenFOAM-12为计算流体动力学及其他连续介质力学问题提供了一个全面的框架。其面向对象的架构允许灵活定制与扩展，而核心组件为创建、求解及分析复杂物理模拟奠定了坚实基础。该框架的主要优势包括：

1. 稳健的网格表示系统，支持复杂几何结构
2. 灵活的场操作，用于表示物理量
3. 针对多种物理现象的广泛求解器能力
4. 强大的字典系统，便于配置
5. 对并行计算的强力支持
6. 通过功能对象系统实现可扩展架构

这些特性的结合，使OpenFOAM-12成为适用于标准CFD应用及需要定制求解器与工具的专门模拟的强大工具。

（未完待续）