第三章 OpenFOAM的介绍

3。1  OpenFOAM概述

OpenFOAM（开放式实地操作和操纵）是一个开放源码的、自由的、SGI开发的开源CFD软件。软件自带前处理以及后处理的工具。它配备了能够生成网格工具活泼的第三方软件snappyHexMesh。这个第三方软件可以解决许多繁琐的CAD几何结构建网问题。 OpenFOAM功能也非常强大，它可以使复杂的流体运动的问题得到解决（包括化学反应，湍流和热传递等）的许多问题，甚至解决电磁场和固体动力学分析的问题。并且使用者能够按照自己的想法在电脑上并行计算想要解决的问题，使得计算机的硬件资源得到充分的利用。因此，它也是一个非常广泛的用户群体，包括学术组织以及科学和技术的大部分领域，甚至包括企业用户。

OpenFOAM包中的C ++编程语言，这些C ++程序包的存在使OpenFOAM得计算效率很高。在解决具体的技术问题的基础上，软件能够进行适当的预处理和后处理工作，因此，OpenFOAM衍生出许多的库文件（Libraries）、辅助工具（Utilities）以及求解器（Solvers）。在如此强大的功能下，该软件可以解决数值模拟数据处理，可视化和其他计算方面的问题，包括建模，网格生成，求解器的仿真计算，数据提取等。简单地说，OpenFOAM是用C++写的编程语言，并且是完全面向对象的的OpenFOAM CFD程序集。 OpenFOAM采用偏微分方程的形式来表达数学的方式，根据使用者的不同需求，离散并且求解使用有限体积法得到相应的偏微分方程。此外，OpenFOAM还可以对计算区域进行用户自定义的分解并且进行并行计算。

用者能够直接使用OpenFOAM中已经编译完成的库文件、辅助工具以及求解器。这允许用户轻松地以解决科研的很多技术问题。更重要的是，这种软件是开源的，在软件自身的功能以及能力的基础上，使用者能够对改善和提高该软件的性能。除此之外，OpenFOAM软件也会向公众开放它的软件结构和程序结构。因此，使用者可以相应地最大化得开发并完善该软件来适应自己的使用需求。

两相流的数值模拟是近年来的CFD领域研究的热点之一，CFD计算软件都有各自的两相流求解器，OpenFOAM中最简单同时也是最全面的两相流求解器是本文中所用到的interFoam。

3。2  InterFoam介绍

3。2。1  InterFOAM及其特点

OpenFOAM中包含Interfoam等多种两相流求解器，我们平时使用最多的就是Interfoam。Interfoam是使用流体体积法（VOF）进行两相流的数值模拟计算的数值工具。它是用来求解不掺混的两相流（掺混指的是一种流体分布在另一种流体当中，如气泡在液体中的运动）。其中，有两种不同的求解方法。第一种就是本文中所用的有限体积法（FVM），用于求解问题的空间离散。另一种方法就是流体法的体积（VOF），此方法用于捕捉两相流的自由界面。

一开始，InterFoam被放入了OpenFOAM框架中，该求解器在原版本的基础上进行了拓展和改善。它的代码格式来源于CFD程序集中的一部分，我们通常利用有限体积离散来完成相应的偏微分方程的计算。为了在同类软件中有更大的竞争优势，该软件在C ++语言技术特点方法进行了拓展和完善，从而加强了在高阶矩阵方面的操作性。此外，它还具有易实现并行计算、支持前处理和后处理工具、错误检查机制、可选的时间和空间离散化方法等优点。

3。2。2  数值计算方法

N-S方程一般可以运用于任何流体的偏微分方程，在一般的工程研究中，我们需要求得偏微分方程的数值解，方程所能求出来的解析解很少。一般计算的控制方程我们选择使用欧拉方程来解决非粘性流体的问题。然而在实际的工程研究中，要得到精确解需要非常大的计算量，对此我们通常对所要解决的问题作出简化的假设或模型。    OpenFOAM采用有限体积法对偏微分方程进行空间离散。计算区域被分解成各个控制体，即离散的体积元。偏微分方程的通量是等于流入其的通量，所以一般有限体积法是守恒的。所涉及的量值（速度、压力等）是计算在体积元的质心的。相邻质心之间的数值可以通过差值来确定。文献综述