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计算力学OpenFOAM讲座-高级篇(殷亮).ppt

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计算力学OpenFOAM讲座-高级篇(殷亮).ppt
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开源计算力学软件OpenFOAM讲座,OpenFOAM的结构和能力,南京工业大学城市建设与安全工程学院 OpenFOAM研讨小组 研讨小组QQ群号码:127471850,殷亮2010.12.18于南京,本讲稿的内容参考了Hrvoje Jasak的演讲内容,版权OpenFOAM研讨小组 ,遵守GPL协议,归可自由的复制和拷贝。,1、OpenFOAM介绍,OpenFOAM:面向对象的计算力学数值模拟库 对偏微分方程算子实施有限体积离散(积分形式)故最多处理二阶方程(传递方程适用) 使用非结构化网格(但精度与网格相关性较大) 以类封装的形式提供离散和数值算法(最大优点) 有效的进行大规模并行化计算,并且在很多平台可以移植和调试(底层并行化实施) 同时提供: 自动网格运动 网格拓扑改变:体单元的层化,滑动界面(ggi)及其它 拉格朗日粒子追踪及喷射 有限元离散及有限面积离散(ext版本) 工具类库:ODE求解器、热物理属性、CHEMKIN界面,,OpenFOAM是什么,1.1、OpenFOAM历史,上世纪90年代掀起的C++及面向对象编程(主要解决软件危机) OpenFOAM与英国帝国大学Gosman 的小组和热流体分部相关联(Spalding、帕坦卡S.V.Patankar的研究相关,PHOENICS与STAR-CD-非结构网格) 初始类来自于Charlie Hill (1993)的博士论文 数值工作来自于1993年Henry Weller和Hrvoje Jasak(两个版本),1、 OpenFOAM背景,2.开发与应用,OpenFOAM 的PhD项目包括:数值分析、误差估计、网格自适应、RANS、LES湍流模型、自由液面、多相流等等 材料力学:非线性结构分析(如何分量解耦)、接触弹塑性、流固耦合 在Chalmers大学的Diesel喷射模型 瑞士军方应用(水动力) 多所大学贡献:Imperial College: Poly Milano, Chalmers University, University of Zagreb, Croatia, University College Dublin, Kings College London等 在cfd-online上其活跃程度与FLUENT相当,3、版本发展,在2000年,FOAM作为Nabla公司的商业版本 与Fluent公司进行策略合作:为下一代CFD软件进行软件设计( Hrvoje Jasak) 自2002年提供了大学免费版本 满足复杂要求的高端客户 在2004年10月提供公共域版本支持,4、 OpenFOAM和C++,OpenFOAM基于坚实而彻底的C++开发 OpenFOAM实施要早于C++的稳定版本的推出,故其并未用标准库,但其类库也随语言而进化 其核心代码不断的重写或提炼:清除冗余代码、使用新的语言知识和程序理念 其代表了在面向对象、模块化、代码重用方面的经典案例,值得研读。,5、 OpenFOAM完成了以下的创新,多面体网格支持 新的自由液面算法 Halo-free并行化(无ghost) 自动多面体(任意)网格求解器 新方法进行拓扑网格变化 通过实时选择表进行用户定制,1.2设计理念,用户修改要预先定义 模型与模型作用的矩阵过于复杂 难于开发、维护及支持 缺少支持层:不同相关性的代码混合在一起难以区分 开发与维护需要大的团队 即使小的改变也需要专业的知识 化很长时间才能变得专业 封闭的框架,对用户而言存在代码重用性问题 单一的开发使得需要单一的测试,1.曾经主流的设计特点,有利于新模型的实现 无介入的分层开发 便利的代码重用及模块化 能应用于超出流体流动的更多应用 在不改变已有组件的条件下实现代码的开发和定制化 如下例,2、新的理念,软件中方程的表达为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、分层实现,软件中不同的功能层 张量代数 场代数 场的映射和差分 不同类型的离散有限体积方法有限元 网格处理、网格运动、拓扑改变,差分格式 拉格朗日追踪 边界条件定制化 线性方程组求解技术 分离的物理模型 应用程序的定制流体流动、传热燃烧、湍流、喷射电磁学其它 模型组合:流固耦合 各层可以独立开发,同时又相互依赖。,4、用户考虑因素,功能能交换,考虑使用同一界面,使用实时选择表 功能块可选 用户定制:线性方程求解、梯度计算、对流差分格式 开源高层代码共享 自动优化:内存和执行分支,1.3、使用,面向问题的求解器框架 通用的CFD软件包不可能预先知道并满足求解器需求不能写出完全
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