开源软件OpenFOAM下投影算法实现

摘要

目前在工业应用中主要采用商业计算流体力学软件来完成数值模拟。商业CFD软件一般均能推出多种优化的物理模型,其应用范围十分广泛,但是商业软件自身的弱点也十分明显,如商业CFD软件需要昂贵的使用费及软件维护费等。另外,使用商业软件也就意味着我们没有自己的知识产权,这与我国发展自主创新的科技思路不符。而OpenFOAM是由英国帝国理工大学开发,采用高效C++编写的面向对象的计算流体力学开源代码程序库,由此构成一系列高效的求解器及辅助工具。OpenFOAM采用类似于日常习惯的方法在软件中描述偏微分方程,即它和目前大部分的商业CFD软件一样采用有限体积法对偏微分方程进行求解。另外,OpenFOAM的开放性、完全面向对象的程序设计和完善的分层框架构建,使应用者花费较少的时间便可开发自己的数值模型和求解器,是进行CFD技术研究和新数值方法开发的良好平台。
　　投影算法在最先提出时只能用于求解流体的非稳态流动。由于该算法求解的压力泊松方程而非压力修正方程,使其在并行计算中具有很高的计算效率。经过各国研究人员的不懈努力,使投影算法的应用范围及求解精度等已经得到全面的扩大和提升。近几年,投影算法在不可压缩直接数值模拟及大涡模拟中得到大量的应用。随着高性能计算机的发展,直接数值模拟及大涡模拟将成为未来工程应用及科研发展的主要方向,因此,在OpenFOAM平台上开发相关投影算法求解器具有很重要的意义。
　　本文基于OpenFOAM开发平台(其本身也是一款计算流体力学软件),将已有的稳态湍流求解器simpleFoam修改为瞬态层流求解器及可应用大涡模型的瞬态湍流求解器,以及开发与投影算法相关的一系列瞬态层流求解器。文中讲解了所用的各种投影算法的求解或推导过程,并在第三章对所修改及所开发的求解器与OpenFOAM自带求解器在相应求解模型下的求解结果进行比较,以验证它们的可用性、求解精度及求解效率。第四章给出了商业CFD软件FLUENT及CFX与开源软件OpenFOAM在层流模型下的对比,目的在于验证OpenFOAM相对于商业CFD软件所具有的求解精度及求解效率。
　　根据数值模拟的结果可知,本次对OpenFOAM自带稳态湍流求解器的修改是成功的,这在一定程度上扩大了OpenFOAM的应用范围。另外,对于在OpenFOAM平台上开发的投影算法求解器,它们不但具有良好的求解精度,还具有较好的求解效率,这使得OpenFOAM成为集SIMPLE算法、PISO算法、PIMPLE算法、PROJECTION算法的多种数值求解方法于一体的开源CFD软件。通过在OpenFOAM平台上修改算法求解器和开发投影算法求解器并进行相关数值计算,这对以后OpenFOAM平台的开发及研究具有重要的指导作用。

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第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 开源CFD软件OpenFOAM的简介、研究意义及研究现状

1.3投影算法的介绍、研究意义及研究现状

1.4本文研究内容

第二章 计算流体力学数值方法

2.1常用数值计算方法的介绍

2.2 雷诺数

2.3 湍流及湍流模拟

2.4 压力修正法及流场的求解

2.5 本章小结

第三章 PISO算法、SIMPLE算法及PROJECTION算法的比较

3.1 PISO算法与SIMPLE算法的比较

3.2 三种算法求解器的比较

3.3 本章小结

第四章 开源OpenFOAM与商业CFD软件的对比

4.1 算例描述

4.2 结论及对比

4.3 本章小结

第五章 总结和展望

5.1 工作总结

5.2 工作的创新点

5.3 工作展望

致谢

参考文献

附录