OpenFOAM常用类的一些总结

OpenFOAM常用类的一些总结OpenFOAM中有许多类，每个类的功能都很强大，这也使它面向对象设计得以实现。对于程序，最常用到的，也是最底层的就是数据，在OpenFOAM中引入了三类基础数据类型：标量scalar,向量vector,张量tensor.这三个中数据类型，也是FOAM中最基础的三个类。(还有一个比较重要的就是bool和label，前者就是是非型，及对错型，只不过是更扩展一些，后者是标签型数据，相当于c中的整型。关于更多的其它数据类型可以参看目录..\src\OpenFOAM\primitives里面)在上述数据类的基础上，增加场（field）的概念，就引入了标量场scalarField,向量场vectorField,张量场tensorField。实际上这三个类又是field类的typedef，如typedeffieldscalarsaclarField。这些场类中都有对应的成员函数进行加减乘除运算，还有复杂的点积叉积等。说到这fieldclass,其实他就像是一个数据存放的区域一样，存放上scalar，那它成了标量场scalarField。这些类中可以有接口实现数据的计算。从field类中又派生出了FieldField类，这个就是说场中场类，其实这个主要用于边界条件类的一个基类。因为边界条件算是网格类场中的一个特殊的场，后面会介绍。比field类高一点的就是几何场类GeometricFieldclass，其相比fieldclass多了纪录场位置的相关信息。说到这里请大家注意他和polyMeshclass的区别，后者只是纪录网格的结构，如点的位置、面的组成、体的组成等等，polyMeshclass中对应有pointMesh，surfaceMesh，volMesh等类，从字面上很容易理解其处理和记录网格点、网格面、网格体等信息。而GeometricField类，其则是记录了在什么样的网格上有量a的相关信息或数据。它包括了内部区域、边界区域（GeometricBoundaryFieldclass）、网格、尺度单位、计算的先前时间阶的值等。在该类中有常用的三种（实际上还有其他的许多，可以参看OpenFOAM网上说明）：volScalarField体标量场，volVectorField体向量场，volTensorField体张量场。这里说的场与field有所不同，这里指的是网格区域上所对应的数据信息。上述的vol就是指ployMesh中的volMesh，如volscalarField类来说：见下例volScalarFieldp(IOobject(p,runTime.timeName(),mesh,IOobject::MUST_READ,IOobject::AUTO_WRITE),mesh);看过老苏博客的朋友肯定都知道这是什么意思，这是读入标量压力场文件，把压力值存储到网格体中心。为加深对GeometricField类的理解，贴张PG中的图片：OpenFOAM中有许多类，每个类的功能都很强大，这也使它面向对象设计得以实现。对于程序，最常用到的，也是最底层的就是数据，在OpenFOAM中引入了三类基础数据类型：标量scalar,向量vector,张量tensor.这三个中数据类型，也是FOAM中最基础的三个类。(还有一个比较重要的就是bool和label，前者就是是非型，及对错型，只不过是更扩展一些，后者是标签型数据，相当于c中的整型。关于更多的其它数据类型可以参看目录..\src\OpenFOAM\primitives里面)在上述数据类的基础上，增加场（field）的概念，就引入了标量场scalarField,向量场vectorField,张量场tensorField.实际上这三个类又是field类的typedef，如typedeffieldscalarsaclarField。这些场类中都有对应的成员函数进行加减乘除运算，还有复杂的点积叉积等。说到这fieldclass,其实他就像是一个数据存放的区域一样，存放上scalar，那它成了标量场scalarField。这些类中可以有接口实现数据的计算。从field类中又派生出了FieldField类，这个就是说场中场类，其实这个主要用于边界条件类的一个基类。因为边界条件算是网格类场中的一个特殊的场，后面会介绍。比field类高一点的就是几何场类GeometricFieldclass，其相比fieldclass多了纪录场位置的相关信息。说到这里请大家注意他和polyMeshclass的区别，后者只是纪录网格的结构，如点的位置、面的组成、体的组成等等，polyMeshclass中对应有pointMesh,surfaceMesh,volMesh等类，从字面上很容易理解其处理和记录网格点、网格面、网格体等信息。而GeometricField类，其则是记录了在什么样的网格上有量a的相关信息或数据。它包括了内部区域、边界区域（GeometricBoundaryFieldclass）、网格、尺度单位、计算的先前时间阶的值等。在该类中有常用的三种（实际上还有其他的许多，可以参看OpenFOAM网上说明）:volScalarField体标量场,volVectorField体向量场，volTensorField体张量场。这里说的场与field有所不同，这里指的是网格区域上所对应的数据信息。上述的vol就是指ployMesh中的volMesh，如volscalarField类来说：见下例volScalarFieldp(IOobject(p,runTime.timeName(),mesh,IOobject::MUST_READ,IOobject::AUTO_WRITE),mesh);看过老苏博客的朋友肯定都知道这是什么意思，这是读入标量压力场文件，把压力值存储到网格体中心。为加深对GeometricField类的理解，贴张PG中的图片：除了体的向量标量张量场外，还有面标量场surfaceScalarField、面向量场surfaceVectorField、面张量场surfaceTensorField。看下面的例子：surfaceScalarFieldphi(IOobject(phi,runTime.timeName(),mesh),fvc::interpolate(alpha)*phia+fvc::interpolate(beta)*phib);这里的phi既是一个面向量场对象，他用来是纪录单元体面上流过的通量值。除了常用到的标量向量张量的几何场外，还有一些特殊量的场：surfaceSymmTensor面对称张量几何场、体球面张量场等等。几何场里面还有一个比较重要的类就是GeometricBoundaryField，用来专门对边界进行处理的一个类。如果说数据场类是处理数据的基础，那么时间类则是控制计算步进必不可少的一部分。Timeclass在进行瞬态计算，用它跟踪时间阶，并使时间按一定步长或者变步长累加，及输出计算参数，计算时间等。见下例：（相关说明见老苏博客：OpenFOAMsolverincompressibleicoFoam的说明）Info\nStartingtimeloop\nendl;for(runTime++;!runTime.end();runTime++){InfoTime=runTime.timeName()nlendl;//……runTime.write();InfoExecutionTime=runTime.elapsedCpuTime()sClockTime=runTime.elapsedClockTime()snlendl;谈到时间大家很容易想到的就是空间，timeandspace是cfd中非常重要的概念，在离散过程中时间和空间都需要进行离散（非稳态情况），与空间相关的类其实上面已经提到：ployMeshclass，在这不在累述。需要附加说明的是边界条件类：边界条件在OpenFOAM被定义作为场的一个完整部分而不是场上额外附加的。在fvMatrix类中并入了patch用来定义区域的外部边界。每一个patch有一个边界条件，再由fvm用合适的方式进行操作处理。patch有多种类型：calculated，fixedvalue,fixedgradient,zerogradient,symmetry,cyclic等。这些类型都继承于基类patchField。在求解之前，需要对偏微分方程组进行离散，转化为线性方程组[A][x]=[b]的形式。其中[x]就是我们所要求的量，他也就是咱们前面介绍的GeometricField类，而[A]代数方程的系数，他就是我们下面所要提到的fvMatrix类。对于偏微分方程的每一项，OpenFOAM应用两个类来离散：finiteVolumeMethod和finiteVolumeCalculus,分别用typedef声明为fvm和fvc.fvm是计算隐式导数从而返回fvMatrix，而fvc是计算显式导数或者其它隐式计算返回geometricField，该类不存储私有数据，仅是执行操作从一个量map到另外一个量上。对于偏微分方程，其中有很多种导数形式：拉普拉斯、时间导数、二阶时间导数、对流项、散度、梯度、梯度梯度平方、旋度、源等，在OpenFOAM中的表示见下图：离散化时空之后，就是解方程，其实求解方程的过程主要分成如下几部：1.离散偏微分方程，2.线性化方程组，3.对应不同的倒数格式选择差分格式，4.求解系数矩阵，5.解方程。在这就涉及到了一个重要的部分：矩阵。Matrix是OpenFOAM中的一个模板类，他是一个用来存储及运算标量张量等类型数据的2维矩阵。这个矩阵类有点像数学上的矩阵一样。对于应用于数值求解矩阵，OpenFOAM引入了fvMatrix类，这个就是有限体积（finitevolume）矩阵类，他是一个特殊的矩阵类型，应用于求解有限体积标量方程组，该类成员函数可以实现给定相应场的求解、通量的计算、残差的计算和控制、方程松弛因子的实现，方程中心系数(centralcoefficient,公共成员函数A())和H操作源(Hoperationsource，成员函数H()）的计算、设定计算参考等。在此需要提到的是fvMesh类，该类和GoeMesh类差不多，不同之处在于fvMesh类它包含相应网格信息和拓扑结构的同时，还对网格进行实时更新（动网格的时候）。这些更新包括删除单元体面等，并按要求重新定位并计算新的信息。下面举一些关于fvMatrix应用的例子：（选自icoFoam）fvVectorMatrixUEqn(fvm::ddt(U)+fvm::div(phi,U)//div，散度是代表某量通过单元体的面积分，此处phi为一个通量场，该场的值被记录在单元体的面上，而U就是由通量所输运的量，而该速度值则被记录在单元体中心点上。-fvm::laplacian(nu,U));//源项可以使显式的，在离散时进入方程的右端，当源项为隐式的时候他进入方程的系数矩阵中。solve(UEqn==-fvc::grad(p));//关于==，一直有所疑问，听老苏分析挺有道理，最近你看到一篇文章上说==的定义是用来表示数学意义上的方程左右两端的等于，这个运算符为了使其有最低的的运算优先级所以采用了==，而非=，同时也强调了方程两端得等的概念，而非赋值。在OpenFOAM中，对==的操作实际上是形式上的，而非实质上有什么运算，它自动重排方程各项：所有隐式项写进方程矩阵中，而所有显式项则归于方程的b中。volScalarFieldrUA=1.0/UEqn.A();U=rUA*UEqn.H();pEqn.setReference(pRefCell,pRefValue);pEqn.solve();例子中fvVectorMatrix为一向量有限体积矩阵类，OpenFOAM中定义type