OpenFOAM多物理場計算基礎(chǔ)與建模

第1 章 Linux 操作系統(tǒng)基礎(chǔ) 001
1.1 Linux 操作系統(tǒng)簡介 001
1.2 Shell 及其基本操作 002
1.3 Linux 文件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及管理 005
1.4 gedit 文檔編輯 011

第2 章 ParaView 數(shù)據(jù)分析和可視化基礎(chǔ) 013
2.1 ParaView 圖形用戶界面組成 013
2.2 由數(shù)據(jù)源生成數(shù)據(jù)集和可視化 014
2.3 加載數(shù)據(jù)文件 016
2.4 ParaView 數(shù)據(jù)模型 018
2.5 顯示數(shù)據(jù) 023
2.5.1 創(chuàng)建視圖 023
2.5.2 渲染視圖（Render View） 024
2.5.3 圖表視圖（Chart View） 028
2.5.4 比較視圖（Comparative View） 033
2.6 過濾數(shù)據(jù)（Filtering Data） 034
2.6.1 創(chuàng)建和修改過濾器 034
2.6.2 用于提取子數(shù)據(jù)集的過濾器 036
2.6.3 用于幾何操作的過濾器 039
2.6.4 用于數(shù)據(jù)采集的過濾器 040
2.6.5 用于屬性操作的過濾器 044
2.7 選擇數(shù)據(jù)（Selecting Data） 046
2.7.1 使用視圖創(chuàng)建數(shù)據(jù)選擇 046
2.7.2 使用Find Data 面板創(chuàng)建數(shù)據(jù)選擇 047
2.7.3 提取和凍結(jié)數(shù)據(jù)選擇 049
2.8 動畫 050
2.8.1 動畫視圖（Animation View） 050
2.8.2 為包含時間值的數(shù)據(jù)集創(chuàng)建動畫051
2.8.3 設(shè)置動畫中的相機參數(shù) 052
2.9 保存結(jié)果 053
2.9.1 保存數(shù)據(jù)集 053
2.9.2 保存渲染結(jié)果054
2.9.3 保存動畫056
2.9.4 保存狀態(tài)056
2.9.5 提取器（Extractors） 057
2.10 ParaView 高級設(shè)置058
2.10.1 顏色設(shè)置058
2.10.2 多塊數(shù)據(jù)檢查器（Multiblock Inspector） 062
2.10.3 注釋 063
2.10.4 坐標軸設(shè)置 063
2.10.5 定制ParaView064

第3 章 OpenFOAM 編程的C++基礎(chǔ)067
3.1 C++程序組成067
3.1.1 C++程序的總體組成067
3.1.2 C++語句068
3.1.3 代碼塊 072
3.1.4 函數(shù)簡介 075
3.2 C++支持的數(shù)據(jù)類型076
3.2.1 基本數(shù)據(jù)類型 077
3.2.2 復(fù)合類型078
3.2.3 數(shù)據(jù)的存儲方式082
3.2.4 名稱空間082
3.3 C++函數(shù)083
3.3.1 處理數(shù)組的函數(shù)083
3.3.2 處理字符串的函數(shù)084
3.3.3 處理結(jié)構(gòu)的函數(shù)084
3.3.4 內(nèi)聯(lián)函數(shù)085
3.3.5 使用引用變量作為函數(shù)形參085
3.3.6 函數(shù)的默認參數(shù)087
3.3.7 函數(shù)重載087
3.3.8 函數(shù)模板088
3.4 類和對象 089
3.4.1 類的定義和使用089
3.4.2 對象數(shù)組 093
3.4.3 操作符重載 093
3.4.4 友元094
3.4.5 類對象作為返回值時的返回種類095
3.4.6 靜態(tài)數(shù)據(jù)成員和靜態(tài)成員函數(shù)096
3.4.7 類的類型轉(zhuǎn)換096
3.4.8 指向?qū)ο蟮闹羔?097
3.4.9 類繼承 098
3.4.10 類模板 102

第4 章 OpenFOAM 編程基礎(chǔ) 106
4.1 OpenFOAM 介紹 106
4.1.1 OpenFOAM 簡介及功能106
4.1.2 OpenFOAM 安裝107
4.1.3 OpenFOAM 的目錄結(jié)構(gòu) 110
4.2 OpenFOAM 中的張量運算 113
4.2.1 張量表示法 114
4.2.2 張量運算 115
4.2.3 二階張量及其代數(shù)運算 117
4.2.4 常用矢量公式 118
4.2.5 張量運算在OpenFOAM 中的表示 119
4.2.6 OpenFOAM 中的基本張量類 121
4.2.7 OpenFOAM 中的量綱和單位制 127
4.3 OpenFOAM 的基本數(shù)據(jù)類型 131
4.3.1 簡單數(shù)據(jù)類型 131
4.3.2 Tuple2 135
4.3.3 多項式方程 135
4.3.4 鏈表 137
4.3.5 HashTable 139
4.3.6 autoPtr140
4.3.7 物理常數(shù) 141
4.4 編程中常用的OpenFOAM 標準類 142
4.4.1 tmp 142
4.4.2 refCount143
4.4.3 IOobject 143
4.4.4 dictionary 144
4.4.5 Time 147
4.4.6 argList 148
4.4.7 token 149
4.5 Foam 名稱空間 151
4.5.1 Foam 名稱空間中的函數(shù) 151
4.5.2 Foam 名稱空間中的變量 153
4.5.3 Foam 名稱空間中的別名154
4.6 OpenFOAM 中的物理場類 156
4.6.1 Field156
4.6.2 FieldField 158
4.6.3 DimensionedField 159
4.6.4 GeometricField 160
4.6.5 Boundary 166
4.6.6 fvPatchField 167
4.7 OpenFOAM 編程語句 169
4.7.1 簡單語句 169
4.7.2 與字典操作相關(guān)的語句 170
4.7.3 輸入輸出 172

第5 章 有限體積法基礎(chǔ) 173
5.1 物理現(xiàn)象的數(shù)學描述173
5.1.1 控制微分方程的物理含義 173
5.1.2 質(zhì)量守恒方程 174
5.1.3 動量守恒方程 175
5.1.4 能量守恒方程 175
5.1.5 化學組分守恒方程 177
5.2 離散方法178
5.2.1 偏微分方程數(shù)值求解的總體過程 178
5.2.2 有限體積法離散 180
5.2.3 以單元為中心的FVM 182
5.2.4 離散方法需滿足的基本原則 183
5.2.5 有限體積網(wǎng)格 184
5.3 代數(shù)方程組求解 188
5.3.1 直接法 188
5.3.2 迭代法191
5.3.3 求解代數(shù)方程的松弛技術(shù) 199
5.3.4 方程的殘差 200
5.4 擴散項的離散202
5.4.1 二維規(guī)則笛卡兒網(wǎng)格內(nèi)部單元上的離散 202
5.4.2 二維規(guī)則笛卡兒網(wǎng)格邊界單元上的離散 203
5.4.3 非均勻擴散系數(shù)的處理 205
5.4.4 非正交非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時的離散206
5.4.5 非正交網(wǎng)格時的邊界條件 207
5.4.6 網(wǎng)格偏斜時的離散208
5.4.7 各向異性擴散208
5.4.8 正交曲線坐標系中的離散 209
5.5 梯度計算210
5.5.1 笛卡兒網(wǎng)格中的梯度計算 210
5.5.2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的梯度計算——Green-Gauss 梯度 210
5.5.3 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格上的梯度計算——最小二乘梯度 212
5.5.4 由單元質(zhì)心上的梯度插值得到面的上梯度 213
5.6 對流項的離散 213
5.6.1 一維網(wǎng)格時的中心差分法 213
5.6.2 一維網(wǎng)格時的迎風格式 214
5.6.3 一維網(wǎng)格時的順風格式 215
5.6.4 一維網(wǎng)格時的截斷誤差 215
5.6.5 數(shù)值穩(wěn)定性 216
5.6.6 高階迎風格式 217
5.6.7 二維穩(wěn)態(tài)對流項的離散 220
5.6.8 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格時的高階方法 221
5.6.9 遷延修正法222
5.7 對流項離散的高精度格式222
5.7.1 NVF 222
5.7.2 對流有界性準則 224
5.7.3 NVF 框架下的HR 格式 225
5.7.4 TVD 框架及該框架下的HO 和HR 格式 226
5.7.5 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格中的HR 格式 230
5.7.6 HR 格式的遷延修正、DWF 和NWF 方法 230
5.7.7 對流邊界條件232
5.8 瞬態(tài)項的離散 233
5.8.1 有限差分法 233
5.8.2 有限體積法 237
5.8.3 非均勻時間步時的離散 241
5.9 源項的離散 243

第6 章 編寫OpenFOAM 算例245
6.1 OpenFOAM 算例的基本目錄結(jié)構(gòu) 245
6.2 OpenFOAM 算例文件的基本格式 246
6.3 劃分網(wǎng)格 248
6.3.1 OpenFOAM 中與網(wǎng)格有關(guān)的類 249
6.3.2 OpenFOAM 中的網(wǎng)格描述 252
6.3.3 使用blockMesh 劃分網(wǎng)格 256
6.4 設(shè)置微分方程離散方法 260
6.5 設(shè)置代數(shù)方程求解方法和誤差 265
6.6 求解過程控制 269
6.6.1 全局控制 269
6.6.2 時間和數(shù)據(jù)輸入/輸出控制 270
6.7 邊界和邊界條件272
6.7.1 邊界 272
6.7.2 OpenFOAM 中與邊界有關(guān)的類和函數(shù)274
6.7.3 邊界條件 275
6.7.4 OpenFOAM 中邊界和邊界條件的關(guān)系280
6.8 使用#codeStream 的內(nèi)聯(lián)編程280
6.8.1 使用#codeStream 代碼定義邊界條件 281
6.8.2 使用#codeStream 代碼定義初始條件283
6.8.3 使用#codeStream 代碼同時定義初始條件和邊界條件284
6.9 模型和物理特性286
6.9.1 熱物理模型286
6.9.2 紊流模型 290
6.9.3 輸運/黏度模型 293
6.10 后處理296
6.10.1 后處理命令行 296
6.10.2 數(shù)據(jù)采樣和監(jiān)測 302
6.11 算例管理工具305

第7 章 編寫OpenFOAM 求解器308
7.1 OpenFOAM 求解器組成308
7.2 編寫OpenFOAM 求解器時常用的標準頭文件310
7.3 定義描述物理場的變量和常量313
7.3.1 定義常量 313
7.3.2 定義變量 314
7.4 方程離散317
7.4.1 fvMatrix 類模板 317
7.4.2 fvc 和fvm 名稱空間 318
7.4.3 微分方程的表示 319
7.5 編寫OpenFOAM 求解器時常用的語句塊321
7.5.1 物理場典型操作語句 321
7.5.2 訪問Time 和fvMesh 類對象的屬性 321
7.5.3 訪問GeometricField 類對象的屬性 323
7.6 求解器編譯323
7.6.1 使用wmake 編譯 324
7.6.2 使用wclean 刪除依賴列表 326
7.6.3 編譯庫 326
7.6.4 調(diào)試消息 326
7.6.5 將用戶定義的庫鏈接到應(yīng)用程序 327
7.7 運行求解器327
7.7.1 運行求解器的方法 327
7.7.2 并行運行應(yīng)用程序 329
7.8 編寫新求解器的一般方法 333
7.9 OpenFOAM 中的常用標準求解器 336
7.9.1 基本CFD 代碼 336
7.9.2 不可壓縮流動求解器 337
7.9.3 可壓縮流動求解器 338
7.9.4 多相流 338
7.9.5 傳熱和浮力驅(qū)動流求解器 338
7.9.6 其他求解器 340
7.10 OpenFOAM 中的標準實用程序 341

第8 章 物理場計算實例——不可壓縮流體流動求解器345
8.1 動量方程的離散 345
8.2 壓力修正方程 348
8.3 求解算法 350
8.3.1 SIMPLE 和SIMPLEC 算法 350
8.3.2 PISO 算法 357
8.3.3 PIMPLE 算法 360

第9 章 物理場計算實例——多區(qū)域靜磁場求解器 361
9.1 靜磁場的控制方程 361
9.2 控制方程的有限體積離散 362
9.3 同一磁介質(zhì)內(nèi)單元間界面上的相對磁導(dǎo)率 363
9.4 不同磁介質(zhì)間界面上的邊界條件 364
9.5 基于多區(qū)域耦合方法的求解器編制 367
9.5.1 創(chuàng)建網(wǎng)格、場和不同種類的區(qū)域 369
9.5.2 控制方程的離散和求解 369
9.5.3 定義邊界條件 370
9.6 求解器驗證 372

第10 章 物理場計算實例——鐵磁流體磁-流耦合流動求解器375
10.1 控制方程 376
10.2 方程離散和求解方法 378
10.2.1 磁場方程的離散和求解 378
10.2.2 動量方程的有限體積法離散和求解 380
10.2.3 磁化方程的有限體積法離散和求解 384
10.2.4 總體求解過程387
10.3 求解器編制 388
10.3.1 求解器組成388
10.3.2 建立參數(shù)和變量389
10.3.3 控制方程的離散和求解 390
10.3.4 后處理——鐵磁流體對壁面的平均剪切應(yīng)力和鐵磁流體內(nèi)渦旋強度的計算 391
10.3.5 算例組成 393
10.4 求解器驗證395
10.4.1 無磁場作用時的鐵磁流體平面Couette-Poiseuille 流395
10.4.2 鐵磁流體平面Couette 流在小剪切率時垂直于外磁場方向上的磁化強度396
10.4.3 垂直于流動方向恒定磁場作用下的鐵磁流體平面Couette-Poiseuille 流397

第11 章 物理場計算實例—納米顆粒直接荷電過程多場耦合求解器399
11.1 控制方程402
11.1.1 電暈放電過程 402
11.1.2 Fuchs 擴散荷電模型 403
11.1.3 邊界條件和初始條件406
11.2 求解方法 408
11.2.1 區(qū)域離散和方程離散408
11.2.2 求解過程411
11.2.3 計算結(jié)合系數(shù)? 的方法 412
11.3 求解器編制413
11.3.1 求解器組成 413
11.3.2 建立參數(shù)和場量 415
11.3.3 控制方程的離散和求解 416
11.3.4 計算離子-顆粒結(jié)合系數(shù) 417
11.3.5 定義邊界條件 420
11.3.6 算例組成 422
11.4 求解器驗證423
11.4.1 電場分布計算結(jié)果驗證 424
11.4.2 離子-顆粒結(jié)合系數(shù)計算結(jié)果驗證424
11.4.3 荷電效率計算結(jié)果驗證 424

參考文獻426