全球各地机器上消耗大量计算周期的一个领域是 CFD。什么是 CFD？CFD 是计算流体动力学的缩写。其基本思想是模拟气体和液体（或流体）在与固体表面相互作用时的流动。这种建模类型用于设计飞机、汽车、潜艇和风扇叶片——基本上，任何在水或空气中运动的物体。随着表面复杂性的增加，或流动复杂性的增加（例如从亚音速到超音速），建模所需的计算机时间也会增加。用于 CFD 的大型软件包之一是 Ansys 公司制作的程序套件。我所在大学的几个小组都在使用它。但是，有一个可用的开源选项，OpenFOAM。在本文中，我将描述您可以使用 OpenFOAM 完成的工作。OpenFOAM 项目包括二进制软件包，格式为 deb 文件或 RPM 文件。您还可以下载源代码包文件，甚至直接从 Git 仓库下载。

OpenFOAM (开源场运算和操控) 基本上是一组 C++ 库，用于各种处理步骤中。OpenFOAM，就像大多数其他 CFD 软件包一样，将要完成的工作分解为三个独立的步骤。第一步称为预处理。在预处理中，您定义您尝试建模的问题。这包括定义模型中固体对象给出的边界条件。您还需要描述您尝试建模的流体的特性，包括粘度、密度以及对您的模型重要的任何其他属性。下一步称为求解器步骤。这是您实际求解描述您模型的方程的地方。第三步称为后处理。在这里，您可以查看结果并将其可视化，以便您可以了解模型中发生的情况。这种分解的明显结果是，大部分计算工作发生在求解器阶段。预处理和后处理步骤通常可以在桌面上完成，而求解器步骤很容易占用 50 或 100 个处理器。OpenFOAM 包括几个预处理和后处理实用程序，以及几个求解器。但真正的力量来自于这样一个事实，即由于 OpenFOAM 是基于库的，您可以使用 OpenFOAM 作为基础构建自己的实用程序或求解器。这在研究环境中非常有用，您可能正在尝试一些以前没有人尝试过的事情。

OpenFOAM 中的模型称为 case (案例)。Cases (案例) 存储为案例目录中的一组文件。许多其他 CFD 软件包使用单个文件代替。目录允许您将数据与控制参数和属性分开。Case (案例) 文件可以使用任何文本编辑器进行编辑，例如 emacs 或 vi。预处理涉及创建您正在研究的 case (案例) 所需的所有文件。

第一步是网格生成。您的流体（无论是液体还是气体）被分解为离散单元的集合，称为网格。OpenFOAM 包括许多实用程序，这些实用程序将根据您的流体几何形状的描述生成网格。例如，blockMesh 实用程序生成简单的块网格，而 snappyHexMesh 实用程序生成复杂的六面体或分裂六面体单元网格。如果您想生成基本的块网格，您需要在字典文件 `blockMeshDict` 中布局详细信息，该文件位于您的案例子目录中的 `constant/polyMesh` 子目录中。该文件以开头

FoamFile
{
   version     2.0;
   format      ascii;
   class       dictionary;
   object      blockMeshDict;
}

一般来说，Case (案例) 文件以这种格式的标头开头，描述每个案例文件包含的内容。在此特定文件中，您可以定义包含顶点、块、边或面片的部分。创建此文件后，您可以运行 blockMesh 实用程序来处理此字典文件并生成将在计算中使用的实际网格数据。

下一步是设置您的初始条件。这是通过创建一个名为 `0` 的子目录并将相关的 case (案例) 文件放在此处完成的。这些 case (案例) 文件将包含感兴趣场的初始值和边界条件。例如，如果您正在查看流体流过空腔，您可能对压力和速度感兴趣。因此，您将在 `0` 子目录中有两个文件描述这两个场。您还需要在存储在 `Dictionaries` 子目录中的文件中设置任何重要的物理属性。这些文件以 `Properties` 结尾。您可以在此处定义粘度之类的项目。预处理的最后一步是设置控制文件。此文件名为 `controlDict`，位于 `system` 子目录中。例如，假设您想从 t=0 开始，运行 10 秒，时间步长为 0.1 秒。控制文件的这一部分看起来像这样

startFrom     startTime;
startTime     0;
stopAt        stopTime;
stopTime      10;
deltaT        0.1;

您还可以在此控制文件中设置输出参数。您可以使用 `writeControl` 关键字设置 OpenFOAM 写入输出的频率。因此，假设您想每 10 个时间步长写出结果。控制文件的那一部分看起来像这样

writeControl        timeStep;
writeInterval       10

这告诉 OpenFOAM 每 10 个时间步长将结果写入到每个写入操作的单独子目录中。这些子目录将用时间步长标记。

您还可以设置文件格式、结果精度和文件压缩等许多其他选项。

在您实际开始求解器步骤之前，最好检查网格以确保它看起来正确。有一个名为 `paraFoam` 的后处理工具可供您使用。如果您在您的案例目录中，调用 `paraFoam` 将加载它。或者，您可以使用命令行参数 `-case xxx` 指定另一个目录位置，其中 xxx 是您感兴趣的案例目录。

下一步是在您的模型上运行求解器，看看您得到什么。求解器往往是专门化的，以便有效地解决某一特定类的问题。因此，OpenFOAM 开箱即用地提供了一套相当大的标准求解器。如果您有兴趣解决不可压缩流体的层流问题，您可能会使用 icoFoam。或者，如果您有兴趣研究空化现象，您可以使用 cavitatingFoam。或者，您可能需要用于内燃机的求解器 (`engineFoam`)。查看文档以了解有哪些可用的求解器。一旦您知道要使用哪个求解器，您可以通过从您的案例目录中执行相关的二进制文件来运行它，或者您可以使用 `-case` 命令行参数指向另一个案例目录。

最后一步是后处理步骤，您可以在其中实际查看结果并查看模型内部发生的情况。在这里，您可以使用提供的实用程序 paraFoam。它可以接受 `-case` 命令行参数，就像我讨论的所有其他实用程序一样。然后，您可以操作数据并查看各种时间切片。您可以生成等值面图和等高线图、矢量图或流线图。您甚至可以创建动画，尽管不是直接创建。您可以让 `paraFoam` 输出表示电影帧的图像文件。因此，它们将以以下形式的文件名保存

fileroot_imagenum.fileext

然后，您可以获取此图像序列，并通过 ImageMagick 中的 `convert` 实用程序之类的工具将它们捆绑到一个电影文件中。

最后，在预处理和后处理步骤中，都有实用程序允许您在其他 CFD 软件包（包括 fluent、CFX 和 gambit，仅举几例）使用的文件格式之间进行转换。如果您与碰巧使用这些其他软件包之一的其他人合作，这将非常方便。如果您与使用 fluent 的人合作，您将在预处理步骤中使用 `fluentMeshToFoam`，在后处理步骤中使用 `foamMeshToFluent`。

这篇简短的文章仅提供了 OpenFOAM 的一点点介绍。如果您对流体动力学感兴趣，您绝对应该了解一下 OpenFOAM。主页包含指向优秀文档和多个教程的链接。安装包还包括几个示例案例，因此您可以了解如何处理标准问题集。您通常可以使用其中一个示例作为您自己问题的起点。看看它，看看它是否可以帮助您的工作。

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