【OpenFOAM】-olaFlow-算例1- baseWaveFlume

算例路径： olaFlow\tutorials\baseWaveFlume
算例描述： 一个基础的二维波浪水槽
学习目标： olaFlow 求解器的造波、消波方法和算例设置
算例快照：

图1 波浪模拟结果

图2 算例网格

文件结构：

├── 0.org
│   ├── U
│   ├── alpha.water
│   ├── alpha.water.org
│   └── p_rgh
├── cleanCase
├── constant
│   ├── dynamicMeshDict
│   ├── g
│   ├── transportProperties
│   ├── turbulenceProperties
│   └── waveDict   --> 设置波浪要素
├── runCase
└── system
    ├── blockMeshDict
    ├── controlDict
    ├── decomposeParDict
    ├── fvSchemes
    ├── fvSolution
    └── setFieldsDict  --> 设置水深

算例文件解析：

【0.org\U】

dimensions      [0 1 -1 0 0 0 0];  // 量纲 m/s
internalField   uniform (0 0 0);   // 内部速度场 均一场 0 0 0
boundaryField   //边界场
{
    inlet      // 造波边界
    {
        type            waveVelocity; // 波浪速度
        waveDictName    waveDict;     // 读取constant\waveDict中的波浪要素
        value           uniform (0 0 0);  //初值为 0 0 0
    }
    outlet    // 消波边界
    {
        type            waveAbsorption2DVelocity;  // 使用了二维消波理论，olaFlow采用主动消波法
        value           uniform (0 0 0);
    }
    bottom   // 底部边界为固壁边界，边界上速度为零
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform (0 0 0);
    }
    atmosphere // 大气边界，允许空气流出和流入
    {
        type            pressureInletOutletVelocity;
        value           uniform (0 0 0);
    }
    frontAndBack // 前后面，empty指示模型为二维模型
    {
        type            empty;
    }
}

【0.org\p_rgh】

// p_rgh = p - rgh，实际压力减去静水压力
dimensions      [1 -1 -2 0 0 0 0];  // M(1) L(-1) T(-2)
internalField   uniform 0;
boundaryField
{
    frontAndBack
    {
        type            empty;
    }
    outlet
    {
        type            fixedFluxPressure; //将压力梯度设置为0，边界上的通量由速度边界条件指定
        value           uniform 0;
    }
    inlet
    {
        type            fixedFluxPressure;
        value           uniform 0;
    }
    bottom
    {
        type            fixedFluxPressure;
        value           uniform 0;
    }
    atmosphere
    {
        type            totalPressure; //总压条件:流出 p = p0; 流入 p = p0 - 0.5|U|^2
        U               U;
        phi             phi;
        rho             rho;
        psi             none;
        gamma           1;
        p0              uniform 0;
        value           uniform 0;
    }
}

【0.org\alpha.water.org】

// 设置流体体积分数
dimensions      [0 0 0 0 0 0 0];
internalField   uniform 0;
boundaryField
{
    inlet
    {
        type            waveAlpha;  // 根据波浪条件设置
        waveDictName    waveDict;
        value           uniform 0;
    }
    frontAndBack
    {
        type            empty;
    }
    outlet
    {
        type            zeroGradient; // 零梯度
    }
    bottom
    {
        type            zeroGradient;
    }
    atmosphere
    {
        type            inletOutlet; // 当流体流出时，α的梯度为0；如果流入，α为0，100%的空气流入
        inletValue      uniform 0;
        value           uniform 0;
    }
}

【constant\dynamicMeshDict】

dynamicFvMesh        staticFvMesh;

【constant\g】

dimensions      [0 1 -2 0 0 0 0];
value           ( 0 0 -9.81 );

【constant\transportProperties】

phases (water air);
water
{
    transportModel  Newtonian;
    nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-06;  // 流体运动粘度
    rho             [1 -3 0 0 0 0 0] 1000;   // 流体密度
}
air
{
    transportModel  Newtonian;
    nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1.48e-05;
    rho             [1 -3 0 0 0 0 0] 1;
}
sigma           [1 0 -2 0 0 0 0] 0.07;     // 水和空气之间的表面张力参数

【constant\turbulenceProperties】

simulationType  laminar;     // 设置为层流模型

【constant\waveDict】

waveType        regular;    // 规则波
waveTheory      cnoidal;    // 椭圆余弦波
genAbs          1;          // 考虑造波边界的消波性能  1/0
absDir          0.0;        // 造波边界的消波方向
nPaddles        1;          // 主动消波的Paddles数量设置
waveHeight      0.10;       // 波高
wavePeriod      3;          // 波周期
waveDir         0.0;        // 波向
wavePhase       1.57079633; // 初始相位
// Change both entries to true to re-read this dictionary upon restart.
rereadAlpha     false;
rereadU         false;

【system\blockMeshDict】

scale 1;
vertices
(
   (0.0     -0.02   0.0)
   (10.0    -0.02   0.0)
   (10.0    -0.02   0.7)
   (0.0     -0.02   0.7)
   (0.0     0.0     0.0)
   (10.0    0.0     0.0)
   (10.0    0.0     0.7)
   (0.0     0.0     0.7)
);
blocks
(
    hex (0 1 5 4 3 2 6 7)   (500 1 70) simpleGrading (1 1 1)
);
edges
(
);
patches
(
    patch inlet  // 造波边界
    (
        (0 4 7 3)
    )
    patch outlet  // 消波边界 
    (
        (1 5 6 2)
    )
    wall bottom   // 水槽底部边界
    (
        (0 1 5 4)
    )
    patch atmosphere  // 大气边界
    (
        (3 2 6 7)
    )
    empty frontAndBack // 水槽侧面边界
    (
        (0 1 2 3)
        (4 5 6 7)
    )
);
mergePatchPairs
(
);

【system\controlDict】

application     olaFlow;      // olaFlow求解器
startFrom       latestTime;
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         60;
deltaT          0.001;       // 计算时间步
writeControl    adjustableRunTime;
writeInterval   0.05;        // 写出时间步
purgeWrite      0;
writeFormat     ascii;
writePrecision  6;
compression     off;         // 是否压缩格式写出，可节约硬盘空间, on/off
timeFormat      general;
timePrecision   6;
runTimeModifiable yes;
adjustTimeStep  yes;         // 采用自适应时间步，可能会加速计算，也可能造成时间步极小
maxCo           0.5;         // CFL条件的Courant数, 一般<1, 设置一个小值会使计算结果更精确，但也减小了时间步长，增加了计算成本
maxAlphaCo	    0.5;         // 两相交界面上的最大Courant数
maxDeltaT       0.025;

【system\decomposeParDict】

numberOfSubdomains 2;        // 并行区域分解数目
method          scotch;      // 区域分解方法
...

【system\fvSchemes】

// 指定控制方程中各项的有限体积法的离散格式
ddtSchemes  // 指定时间离散格式
{
    default         Euler;  // Euler法，一阶精度，条件稳定
}
gradSchemes  // 梯度项离散格式
{
    default         Gauss linear; // 高斯定理，将网格中心的量插值到网格面上
}
// olaFlow 的算例中给出了几乎所有可能出现的项，具体算例可能不会包含全部项
divSchemes  // 对流项与散度项的离散格式， 将网格中心的量插值到网格面上，因此实际上选用的是interpolationSchemes
{
    div(rhoPhi,U)  Gauss limitedLinearV 1;  // Guass limitedLinear(一种TVD格式，使同时满足精度和有界) V类(采用限制器时考虑了流动方向)
    div(U)  Gauss linear; // 二阶精度，无界
    div((rhoPhi|interpolate(porosity)),U)  Gauss limitedLinearV 1;
    div(rhoPhiPor,UPor)  Gauss limitedLinearV 1;
    div(rhoPhi,UPor)  Gauss limitedLinearV 1;
    div(rhoPhiPor,U)   Gauss limitedLinearV 1;
    div(phi,alpha)  Gauss vanLeer; // Gauss vanLeer(一种TVD格式，使同时满足精度和有界)
    div(phirb,alpha) Gauss interfaceCompression; // 界面压缩格式，基于一般限制格式
    div((muEff*dev(T(grad(U))))) Gauss linear;
    div(phi,k)      Gauss upwind; // 一阶迎风格式，有界
    div(phi,epsilon) Gauss upwind;
    div((phi|interpolate(porosity)),k)      Gauss upwind;
    div((phi|interpolate(porosity)),epsilon) Gauss upwind;
    div(phi,omega) Gauss upwind;
    div((phi|interpolate(porosity)),omega) Gauss upwind;
}
laplacianSchemes  // 拉普拉斯项离散格式
{
    default         Gauss linear corrected; // Guass线性插值，corrected(显式的非正交网格修正)
}
interpolationSchemes
{
    default         linear;  // 线性插值格式
}
snGradSchemes  // 面法向梯度格式
{
    default         corrected;
}
fluxRequired  // 
{
    default         no;
    p_rgh;
    pcorr;
    alpha.water;
}

【system\fvSolution】

// 指定方程组矩阵求解器、残差以及其他算法控制
solvers
{
    "alpha.water.*"
    {
        nAlphaCorr      1;  //
        nAlphaSubCycles 2;
        alphaOuterCorrectors yes;
        cAlpha          1;
        MULESCorr       no;
        nLimiterIter    3;
        solver          smoothSolver;    // 求解器：光顺求解器。对称和非对称矩阵均适用
        smoother        symGaussSeidel;  // 光顺器：对称Gauss-Seidel方法
        tolerance       1e-8;            // 标准化残差
        relTol          0;               // 相对残差，表征残差的递减量
    }
    "pcorr.*"  // 压强校正量
    {
        solver          PCG;            // 求解器：预处理共轭梯度法。仅适用于对称矩阵    
        preconditioner  DIC;            // 预处理器：基于对角的不完全Cholesky预处理器
        tolerance       1e-5;
        relTol          0;
    }
    p_rgh
    {
        solver          PCG;
        preconditioner  DIC;
        tolerance       1e-07;
        relTol          0.05;
    }
    p_rghFinal  // 在求解p_rgh时可设置较大的残差，在最后一步设置严格的误差
    {
        $p_rgh;
        relTol          0;
    }
    U
    {
        solver          smoothSolver;
        smoother        symGaussSeidel;
        tolerance       1e-06;
        relTol          0;
    }
}
// 离散方程组的分离式解法
PIMPLE   // SIMPLE 与 PISO 算法的耦合
{
    momentumPredictor   no;
    nOuterCorrectors    1;  // 值不大于1时，算法变为纯PISO算法；若大于1，为非定常SIMPLE算法
    nCorrectors         3;
    nNonOrthogonalCorrectors 0;
}
relaxationFactors // 松弛方法，为降低数值波动
{
    fields        // 表示需要使用松弛方法(显式)的变量
    {
    }
    equations     // 表示需要使用松弛方法(隐式)的方程
    {
        ".*" 1;
    }
}

【system\setFieldsDict】

defaultFieldValues
(
    volScalarFieldValue alpha.water 0   // 初始化流体体积分数
);
regions
(
    boxToCell
    {
        box (-10 -1 -1) (30 1 0.4);
        fieldValues
        (
            volScalarFieldValue alpha.water 1  // 将box范围内的流体设置为a = 1的相，即水深
        );
    }
);