OpenFOAM计算实例

目录

目录 .................................................................................................................................................. 1

1． 文献综述 ............................................................................................................................... 3

2． 模拟计算方案与过程 ........................................................................................................... 3

2.1

2.2

2.3

几何模型与数学模型 ................................................................................................ 3

计算区域网格划分 .................................................................................................... 3

网格文件的导入与转换 ............................................................................................ 4

计算文件设置 .................................................................................................... 5

初边值条件设置 ................................................................................................ 6

物理模型参数设置 ............................................................................................ 6

2.3.1

2.3.2

2.3.3

2.4

3．

模拟计算 .................................................................................................................... 7

计算结果与分析 ................................................................................................................... 7

3.1 速度分析 ....................................................................................................................... 7

3.2 两相区域与相界面分析 ............................................................................................. 10

3.3 压力分布分析 ............................................................................................................. 12

4．

5．

6．

体会与启示 ......................................................................................................................... 15

参考文献 ............................................................................................................................. 15

计算文件附录 ..................................................................................................................... 15

1

2

水-水蒸气两相相界面的数值模拟

摘要：在OpenFoam平台上对类似散列靶的铅铋合金流动情况的水-水蒸气两相流动相界面

进行了数值模拟，根据不同边界条件设置情况做了三组计算，并从计算时间，稳定状态和瞬

态三个方面对其做了对比分析。结果表明三组计算在达到稳态后的压力和速度分布以及相界

面是基本一致的，区别在于达到稳定所需时间和达到稳态之前的瞬时状态不同。

1． 文献综述

2． 模拟计算方案与过程

2.1 几何模型与数学模型

2.2 计算区域网格划分

计算区域为变截面圆管形，即为轴对称三维区域，所以为了节省计算资源和计算时间，

在不影响计算结果的情况下将其进行简化，只计算整个圆周中的5度旋转角的楔形区域。因

此计网格划分中有楔形网格生成。

OpenFOAM软件有自带的前处理模块blockMesh来生成计算网格，但是blockMesh模块

在linux平台下可视化程度不够高，需要通过命令操作。另一方面，windows平台下的前处

理软件发展已经十分成熟，且其极高的可视化程度使得windows平台下的各前处理软件已

经发展的比较成熟，使用比较方便。综合考虑方便与效率后决定在windows平台下运行

Gambit软件进行网格划分，再将网格模型导入OpenFoam软件进行求解计算。

在Gambit软件中划分模型网格，具体过程为：先在Gambit软件中绘制二维平面集合体，

如图3所示，再将图3所示的平面集合体分区域划分网格，对于中间部分由于实际过程中运

动比较复杂，需要对网格进行加密，所以在绘制网格的时候此部分的网格绘制比较细密。

（a）整体网格

（b）入口段网格

3

（c）中间段网格

图3 模型网格

Gambit软件中绘制平面网格多种组合，具体情况如表1所示。

表1 Gambit软件中网格划分组合

划分方法

Map

Submap

Pave

Tri Primitive

Wedge Primitive

Quad

√

√

√

√

单元类型

Tri

√

Quad/Tri

√

√

√

其中，“√”表示可以采用的组合方法，为了获得较高质量的网格，选择的组合为Quad+Map，

所划分的网格全为平行四边形，共划分网格数为22648。

对于由Gambit划分的网格模型，需要在Gambit软件中指定边界类型，随后再在求解器

中进行具体边界条件设置。表2所示为网格模型边界类型设置情况。

表2 模型边界类型

边界名称

Wall

pinlet

vinlet

out

Axis123

frontAndBack

边界类型

WALL

PRESSURE_INLET

VELOCITY_INLET

PRESSURE_OUTLET

AXIS

FLUID

物理意义

固壁面

压力入口

速度入口

压力出口

轴

流体区域

在Gambit软件中将网格划分完毕并设置边界类型之后，导出网格文件。以其中一个网格

数为22648的网格为例，将其命名为xt-ads.2.3w。

2.3 网格文件的导入与转换

Gambit软件绘制的网格文件默认情况下是以fluent软件为目标求解器的，所以讲其绘制

的网格文件导入OpenFoam软件时需要进行网格转换操作。值得注意的一点是，OpenFoam

软件只对三维网格进行求解计算，对于导入的二维网格，其将在第三维方向上指定网格数为

一个，也即指定原始二维网格为在第三维方向为一层的三维网格。在读取二维Fluent网格

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时，OpenFoam将在第三维方向上生成两个与原始二维平面平行且几何形状完全一致的两个

平面，将其分别命名为frontAndBackPlanes_Pos和frontAndBackPlanes_Neg，而将原始的二

维平面类型指定为empty类型，在求解计算中该平面不参与计算

[5]

。

Gambit和Fluent软件中默认的长度单位为毫米，而OpenFoam软件中默认长度单位为米，

因此在将Gambit绘制的网格模型导入到OpenFoam软件中时要注意单位的转换。单位的转

换通过scale命令来实现。

由于计算求解的问题不是简单的二维或者三维问题，而是旋转轴对称问题，这就需要将

三维的单层网格转换为楔形网格。对于三维单层网格向楔形网格的转换，典型安装模式下的

OpenFoam软件时不能实现的，需要新编译一个MakeAxialMesh模块来实现。MakeAxialMesh

模块的功能即为将平面二维网格转换为轴对称网格。

在进行二维平面网格向轴对称网格的抓换过程中，会在楔形体的轴附近产生多需的边，

这就需要用collapseEdges命令来清除这些多余的边，collapseEdges命令的成功使用需要在

system文件夹下放置如下三个文件：collapseDict，collapseEdges.c和meshQualityDict，文件

具体内容见附件。

Gambit软件绘制的网格模型导入到OpenFoam软件并转换为符合求解条件的网格的操作

步骤如下：

(1) 建立文件夹2D.2.3w，将网格文件放置于此文件夹下，并在此文件

夹下新建立文件夹system，system文件夹下需要有控制文件ControlDict。

(2) 在Ubuntu终端进入到步骤（1）中建立的2D.2.3w文件夹，依次输入以下命令：

①fluentMeshToFoam -scale 0.001

②makeAxialMesh -axis axis123 -wedge frontAndBackPlanes

③collapseEdges

其中，在分别执行上诉三条命令后会在文件夹2D.2.3w内生分别成新的文件夹constant、

2e-5和4e-5。在执行完三条命令之后需要将这就需要将constant和2e-5文件夹删除，并将

文件夹4e-5更名为constant。

(3) 经过第（2）步后通过命令checkMesh检查网格，如果检查结果为Mesh OK，则表

明已经成功地将Gambit软件划分的二维平面网格转换为了OpenFoam软件能够使

用的轴对称网格。

2.3.1 计算文件设置

OpenFoam软件的计算求解需要具备符合具体求解要求的文件结构，对于一般的模拟计

算，其求解计算的算例文件夹下需有三个文件夹：0，constant和system。其中0文件夹为

初始场与边界场文件夹，即包含0时刻时的各边界条件，如压力和速度等；constant文件夹

包含一些固定不变的参数，如网格信息，物理模型及其参数，物理边界定义等；system文

件夹为系统文件夹，包含求解计算的运行文件，离散格式和代数方程求解器等文件。图4

为计算的文件结构。

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图4 算例文件结构

文件的详细设置情况参见附件。

2.3.2 初边值条件设置

本次计算的0文件夹中包含，epsilon，k，nut，p_rgh和U文件，分别为水

的体积分数文件，湍动和湍动能文件，初始压力和初始速度文件。Epsilon和k的值需要通

过如下公式求解计算而得：

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k=(

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