OpenFOAM

两个简单的随时间变化的边界条件

这一篇里介绍OpenFOAM自带的两个简单的随时间变化的边界条件： uniformFixedValue 和 flowRateInletVelocity 。

1. uniformFixedValue

这个边界属于第一类边界，即直接指定边界上某个量的值。跟 fixedValue 的不同之处在于，这个边界条件允许边界上的值随着时间变化。一般的用法如下：

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type            uniformFixedValue;
uniformValue     table
(
    (0.000 (0 0 0.002))
    (0.010 (0 0 0.002))
    (0.011 (0.011 0 0.011))
    (0.100 (0.10 0 0.100))
);

上面这一段指定的是速度 U （也可以是其他矢量，或者标量）的边界条件，通过一个 table 来定义边界随时间的变化行为，具体解释如下（假定时间步长等于0.001 s）：

  • 当 0.00 <= t <= 0.01 s 时，速度值为 (0 0 0.002);
  • 当 t = 0.011 s 时，速度变为 (0.011 0 0.011);
  • 0.011 <= t <= 0.100 之间，速度的每个分量均为线性变化的;
  • 当 t > 0.100 s 以后，速度保持 (0.10 0 0.100) 不变。

除了通过 table 来定义随时间分段线性变化边界条件，还可以定义多项式变化的边界，比如：

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type uniformFixedValue;
uniformValue polynomial
(
    ((1 0 0) (0 0 0))
    ((2 2 0) (1 2 0))
    ((3 5 0) (2 4 0))
);

以上这段定义的是这样一个边界：x 分量，$U_x=1+2\cdot t+3\cdot t^2$；y 分量，$U_y=2\cdot t^2+5\cdot t^4$; z 分量，$U_z=0$。
需要注意的是， polynomial 这种方式，目前测试在 2.3.x 以及以下版本不能使用，在最新的 3.0.x 版中可以使用。

此外，还有其他的一些定义方式，列举如下（参考这个网站）：

固定值
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inlet
{ 
    type uniformFixedValue; 
    uniformValue constant (10 0 0);
}

这种方式与 fixedValue 效果是一样的。

tableFile
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inlet 
{ 
    type uniformFixedValue; 
    uniformValue tableFile; 
    tableFileCoeffs
    { 
	fileName "$FOAM_CASE/velocity" 
	outOfBounds clamp; 
    } 
}

这个跟 table 那种类似，只不过将上面 table 的内容写到一个文件里了（这里是 velocity 文件）。 velocity 文件的格式为

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(
    (0   (0 0 0))
    (0.01 (10 0 0))
);

outOfBounds 的可选项及其含义有：

  • clamp：当实际时间超过 tableFile 里的最大时间（比如上述示例文件里，最大时间为0.01s）以后，保持 tableFile 最大时间定义的那个值（对上述示例文件，为(10 0 0)）不变；
  • repeat：重复前面的变化模式，比如上上述示例中，0 < t < 0.01 时，$U_x=1000\cdot t$，当 t 超过0.01 时，计算方法为 $U_x = 1000\cdot (t-0.01)$；
  • error：t > 0.01 时，报错退出；
  • warn：给出警告，但是程序继续运行，边界值计算方法同 clamp。
csvFile
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inlet 
{ 
    type uniformFixedValue; 
    uniformValue csvFile; 
    csvFileCoeffs 
    { 
	fileName "$FOAM_CASE/velocity.csv" 
	outOfBounds clamp; 
	nHeaderLine 1; 
	mergeSeparators no; 
	separator ",";
	refColumn 0; 
	componentColumns (1 2 3); 
    } 
}

这种方式是通过一个 csv 格式的文件来定义分段函数，文件格式为

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time,velocity-x,velocity-y,velocity-z
0,0,0,0
0.01,10,0,0

2. flowRateInletVelocity

这个边界条件指定的是界面上的体积流量或者质量流量，并根据流量来反推速度。速度的方向为垂直边界并指向区域内部。一般的用法如下：

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myPatch
  {
      type        flowRateInletVelocity;
      volumetricFlowRate  0.2; // 体积流量
      value       uniform (0 0 0);
  }


  myPatch
  {
      type                flowRateInletVelocity;
      massFlowRate        0.2; // 质量流量
      rho                 rho; //要指定密度场的名字
      rhoInlet            1.0; //如果上述指定的密度场不存在，则使用这里指定的值作为边界上的密度
  }

类似的，前面 uniformFixedValue 边界里的那些类型，table， tableFile csvFile， polynomial 也都可以使用，而且格式是类似的，这里就不重复了，更多细节可以参考这个页面