OpenFOAM

OpenFOAM (англ. Open Source Field Operation And Manipulation CFD ToolBox) — открытая интегрируемая платформа для численного моделирования задач механики сплошных сред.

OpenFOAM
Тип	Open Source Field Operation And Manipulation
Разработчик	The OpenFOAM Foundation Ltd
Написана на	C++
Операционная система	Linux, UNIX
Первый выпуск	2004
Последняя версия	v2206 (июнь 2022г.)
Лицензия	GNU GPL
Сайт	openfoam.org
Медиафайлы на Викискладе

Общая характеристикаПравить

OpenFOAM — свободно распространяемый инструментарий вычислительной гидродинамики для операций с полями (скалярными, векторными и тензорными). На сегодня является одним из законченных и известных приложений, предназначенных для FVM-вычислений.

Код OpenFOAM, изначально разрабатываемый в Великобритании компанией OpenCFD, Limited, в настоящее время поддерживается и развивается усилиями некоммерческой организации The OpenFOAM Foundation, основателями которой являются Henry Weller (создатель исходного кода FOAM), Chris Greenshields и Cristel de Rouvray. Своё название и идеологию построения код берет от предшественника FOAM (Field Operation And Manipulation). Первоначально программа предназначалась для прочностных расчетов, но в результате многолетнего академического и промышленного развития на сегодняшний момент позволяет решать множество различных задач механики сплошных сред (не ограничиваясь ею), в частности:

• Прочностные расчеты;
• Гидродинамика ньютоновских и неньютоновских вязких жидкостей как в несжимаемом, так и сжимаемом приближении с учётом конвективного теплообмена и действием сил гравитации. Для моделирования турбулентных течений возможно использование RANS-моделей, LES- и DNS-методов. Возможно решение дозвуковых, околозвуковых и сверхзвуковых задач;
• Задачи теплопроводности в твёрдом теле;
• Многофазные задачи, в том числе с описанием химических реакций компонент потока;
• Задачи, связанные с деформацией расчётной сетки;
• Сопряжённые задачи;
• Некоторые другие задачи, при математической постановке которых требуется решение дифференциальных уравнений в частных производных в условиях сложной геометрии среды;
• Распараллеливание расчёта для запуска на многопроцессорных системах (в том числе кластерных).

В основе кода лежит набор библиотек, предоставляющих инструменты для решения систем дифференциальных уравнений в частных производных как в пространстве, так и во времени. Рабочим языком кода является ООП C++. В терминах данного языка большинство математических дифференциальных и тензорных операторов в программном коде (до трансляции в исполняемый файл) уравнений может быть представлено в удобочитаемой форме, а метод дискретизации и решения для каждого оператора может быть выбран уже пользователем в процессе расчёта. Таким образом, в коде полностью инкапсулируются и разделяются понятия расчетной сетки (метод дискретизации), дискретизации основных уравнений и методов решения алгебраических уравнений. Например, уравнение сохранения количества движения для ньютоновской несжимаемой жидкости без действия массовых сил:

$\frac{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}\mathbf{U}}{\mathrm{\partial <!--\; \partial \; -->}t}+\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->(\mathrm{\rho <!--\; \rho \; -->}\mathbf{U}\mathbf{U})-<!--\; -\; -->\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\cdot <!--\; \cdot \; -->(\mathrm{\mu <!--\; \mu \; -->}\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}\mathbf{U})=-<!--\; -\; -->\mathrm{\nabla <!--\; \nabla \; -->}p$${\frac {\partial \rho \mathbf {U} }{\partial t}}+\nabla \cdot (\rho \mathbf {U} \mathbf {U} )-\nabla \cdot (\mu \nabla \mathbf {U} )=-\nabla p$ 

может быть представлено в виде:

 solve
    ( 
        fvm::ddt(rho, U) 
      + fvm::div(rho, U, U) 
      - fvm::laplacian(mu, U) 
        == 
      - fvc::grad(p) 
    );

Вместе с кодом поставляется набор программ-«решателей», в которых реализованы различные математические модели механики сплошных сред.

Программа может работать под Windows через виртуальную машину; имеются также реализации, не использующие дополнительных надстроек.

Связь со стандартамиПравить

Пакет OpenFOAM имеет множество утилит, которые позволяют конвертировать сторонние форматы в формат OpenFOAM (например, ANSYS, Fluent, Gambit, VTK или др.). Для доступа к утилитам необходимо перейти в папку $FOAM_UTILITIES, это также можно сделать командой util.

ОтветвленияПравить

• blueCFD — кросс-компилированная версия OpenFOAM для запуска на операционных системах Windows, производная от OpenFlow. Включает в себя дополнительные инструменты и функциональность, используемые в OpenFOAM. Разработка поддерживается компанией blueCAPE.
• FreeFOAM — версия OpenFOAM независящая от операционной системы, портативна и более удобна для установки. Проект развивается параллельно с официальными выпусками OpenCFD и не имеет дополнительного функционала. Для сборки использует CMake. С 2017 г. проект больше не поддерживается согласно информации с сайта проекта.
• OpenFlow это исходный код дополнения для кросс-компилированного дистрибутива OpenFOAM, работающего на операционных системах Windows. Компоненты OpenFOAM в blueCFD разработаны на основе исходного кода OpenFlow. Разработка поддерживается компанией Symscape.
• OpenFOAM-extend поддерживается Wikki Ltd. Эта ветка включает в себя разработки сообщества, большая часть которых может быть установлена в официальную версию OpenFOAM с минимальными изменениями. Ветка разрабатывается параллельно с официальной версией OpenFOAM, но в последних версиях выпуски extend ветки отстают на один-два года.

Связь с другими Open source-проектамиПравить

• SALOME — пакет для работы с геометрией и сетками
• ParaView — пакет для визуализации результатов и расчётных сеток, поставляется по умолчанию вместе с OpenFOAM
• FreeCAD — параметрическая САПР общего назначения с открытым исходным кодом. Вместе с расширением cfdOF обеспечивает базовые возможности графического интерфейса - позволяет подготовить 3D-модель, обозначить границы, её входы и выходы, указать стартовые параметры и запустить вычисления.

ЛитератураПравить

• Darwish, M.; Mangani, L.; Moukalled, F. The finite volume method in computational fluid dynamics : an advanced introduction with OpenFOAM® and Matlab®. — 1 st ed.. — Springer, 2015. — Т. 113. — xxiv+791 с. — (Fluid mechanics and its applications). — ISBN 978-3-319-16873-9.
• Joey Bernard. To CFD, or Not to CFD?  (неопр.) Linux Journal (19 сентября 2011). Дата обращения: 13 ноября 2016. Архивировано 14 ноября 2016 года.

СсылкиПравить

• Официальный сайт (Онлайн-справка)
• Сайт OpenFOAM Архивная копия от 5 февраля 2005 на Wayback Machine от OpenCFD
• Computational Fluid Dynamics Архивная копия от 11 июня 2007 на Wayback Machine
• OpenFOAM wiki Архивная копия от 20 августа 2008 на Wayback Machine
• Вики перевода документации
• OpenFOAM на Хабрахабре