interFoam 算例导读 – CFDEM 中文网

interFoam 是 OpenFOAM 中求解两相不可压缩流体的求解器，是很多求解器的基础。这个求解器的 tutorials 也非常丰富，涵盖了 laminar、LES 和 RAS 等类型，本文将简要描述这些算例的背景和其中的技巧。

这些算例中最著名的当属“溃坝”damBreak，被收入了用户手册。这个算例既有层流版本，也有 RAS 版本。文档中的是层流版本，RAS 版本只是加上了 k-epsilon 紊流模型。这个算例的看点有：1）Allrun 脚本用 sed 流编辑器实现了文档中描述的加密网格的过程；2）setFields、decomposePar 和 reconstructPar 的基本用法。

两种网格尺寸，两种紊流模型，一共有四种组合，某一时刻结果对比如下图所示

可以看到，RAS 的两个计算结果明显是是“网格相关的”，而没有紊流模型的两个计算结果看起来是网格无关的。

接下来，看下加了透水挡板的溃坝算例 RAS/damBreakPorousBaffle。图片完全无法展现透水挡板的性质，知乎识别不了我的视频，感兴趣的朋友请运行算例，如果默认配置无法收敛的话请改小库朗数。这个算例的看点是 createBaffles 工具，这个函数的功能是

Makes internal faces into boundary faces. Does not duplicate points, unlike mergeOrSplitBaffles.

这个 baffle 是一对 cyclic 边界条件构成的，很特别。

最后，看下搅拌容器 laminar/mixerVessel2D，这类搅拌容器算例也挺常见的，本专栏先前介绍过用 pimpleDyMFoam 计算的 mixerVesselAMI2D，动网格算例 – 搅拌容器。这个算例的一个看点是用 m4 脚本生成网格，这也是这类算例通用的做法。m4 是个宏处理器，可以理解为一种脚本语言，诞生的年代十分久远，详见 m4 (computer language)。另外一个看点是用 MRFProperties 设置旋转的壁面，MRF 的意思是 moving reference frame，这种办法的好处在于不需要设置动网格，也被称作“frozen rotor approach”（Moving Reference Frame for Computational Fluid Dynamics）。计算结果如下图所示。

看下明渠算例 RAS/waterChannel，这个算例包含两个不同体型的明渠，只需更改 Allmesh 脚本中 i 的值，就可以使用不同的体型进行计算。明渠的网格是用 extrudeMesh 工具生成的，这个工具适合生成具有相同横断面的槽道，管道等。这个算例使用的紊流模型是 kOmegaSST，详见 SST k-omega model — CFD-Wiki。计算结果如下图所示。

上边的渠道转弯前是逆坡，转弯后是顺坡，水流从缓流变成急流；下边的渠道从水池出来的时候就是顺坡，且有转弯，水流同样从缓流变成急流。上下两处变坡+转弯的位置，水面形态相似。

接着看一个堰流 RAS/weirOverflow，这个算例是堰型设计的反面教材，过流面的尖角处出现了负压，我们知道水是没什么抗拉强度的，出现这么大的负压就很可能会空化。工程上用的曲线堰，可以很好地克服了这一问题。压强分布见下图，黑线是水面和流线。

接下来看一个弯折的矩形槽道充水的过程 RAS/angledDuct。入口在下边，出口在上边。这个算例的网格也是用 m4 生成的。

接下来看一个稍复杂的算例——毛细管水面上升 laminar/capillaryRise。这个算例是二维的，也就是说模拟的其实是两个平行壁面间的毛细现象。这个算例的看点在表面张力和重力的平衡。如下图所示，初始水面是平的，计算到10秒，水面在震荡后基本稳定，比初始水位略高，且水面在张力作用下弯曲。请读者思考一个问题，如果初始水位更高，稳定后的水位会不会变高？

最后，看一个船舶工程的案例 RAS/DTCHull。这个算例网格数达到了 84 万，默认的并行设置使用8个线程。这个算例的看点在于多次使用 topoSet 和 refineMesh 工具加密网格。另一个看点是对称面的使用。计算结果如下图，后处理时将一半模型还原成了整个模型。

还剩两个算例没有介绍，一是 laminar/wave，这个算例用到了 OpenFOAM 在 5.0 中新增的波浪模型；一是 LES/nozzleFlow2D 这个大涡模拟的算例。

先来看 laminar/wave，这个算例是有关水波运动的，波浪力学和水波理论我不熟，单纯介绍下算例的设置，就当抛砖引玉了。先来看下边界条件，如下图所示，波浪从左侧向右侧运动，上边是大气，下边是底床。右侧靠近出口的位置是消波区，消波区的目的是防止出口反射水波。

我们看下网格，可以明显看到，中间网格非常密集，水面就位于这里。关注一下网格疏密过渡的位置，六面体网格成了三棱柱。这是非结构网格的一大优势，可以灵活地进行局部加密。

在 OpenFOAM 里，像消波区那种疏密渐变的网格是在 blockMeshDict 中定义的。局部加密是用 topoSet 和 refineMesh 这两个工具实现的，topoSet 用来选取 topoSetDict 中定义范围，refineMesh 用来按照 refineMeshDict 中的加密策略加密网格。在一个算例中，这两个工具往往要多次使用，多次加密网格，所以在 Allrun 脚本中往往会定义一个函数或者直接用循环来实现自动运行，比如这个算例的

for i in 1 2
do
    runApplication -s $i topoSet -dict system/topoSetDict$i
    runApplication -s $i refineMesh -dict system/refineMeshDictX -overwrite
done

for i in 3 4 5 6
do
    runApplication -s $i topoSet -dict system/topoSetDict$i
    runApplication -s $i refineMesh -dict system/refineMeshDictY -overwrite
doneCode language: PHP (php)

还有这种的

refineMeshByCellSet()
{
   while [ $# -ge 1 ]
   do
      if [ ! -e log.refineMesh.$1 ]
      then
          echo "Creating cell set for primary zone - $1"
          cp system/topoSetDict.$1 system/topoSetDict
          topoSet > log.topoSet.$1 2>&1

          echo "Refining primary zone - $1"
          refineMesh -dict system/refineMeshDict -overwrite \
              > log.refineMesh.$1 2>&1
      fi
      shift
   done
}
refineMeshByCellSet 1 2 3Code language: PHP (php)