开源软件OpenFOAM下投影算法实现

【摘要】目前在工业应用中主要采用商业计算流体力学软件来完成数值模拟。商业CFD软件一般均能推出多种优化的物理模型，其应用范围十分广泛，但是商业软件自身的弱点也十分明显，如商业CFD软件需要昂贵的使用费及软件维护费等。另外，使用商业软件也就意味着我们没有自己的知识产权，这与我国发展自主创新的科技思路不符。而OpenFOAM是由英国帝国理工大学开发，采用高效C++编写的面向对象的计算流体力学开源代码程序库，由此构成一系列高效的求解器及辅助工具。OpenFOAM采用类似于我们日常习惯的方法在软件中描述偏微分方程，即它和目前大部分的商业CFD软件一样采用有限体积法对偏微分方程进行求解。另外，OpenFOAM的开放性、完全面向对象的程序设计和完善的分层框架构建，使应用者花费较少的时间便可开发自己的数值模型和求解器，是进行CFD技术研究和新数值方法开发的良好平台。投影算法在最先提出时只能用于求解流体的非稳态流动。由于该算法求解的压力泊松方程而非压力修正方程，使其在并行计算中具有很高的计算效率。经过各国研究人员的不懈努力，使投影算法的应用范围及求解精度等已经得到全面的扩大和提升。近几年，投影算法在不可压缩直接数值模拟及大涡模拟中得到大量的应用。随着高性能计算机的发展，直接数值模拟及大涡模拟将成为未来工程应用及科研发展的主要方向，因此，在OpenFOAM平台上开发相关投影算法求解器具有很重要的意义。本文基于OpenFOAM开发平台（其本身也是一款计算流体力学软件），将已有的稳态湍流求解器simpleFoam修改为瞬态层流求解器及可应用大涡模型的瞬态湍流求解器，以及开发与投影算法相关的一系列瞬态层流求解器。文中讲解了所用的各种投影算法的求解或推导过程，并在第三章对所修改及所开发的求解器与OpenFOAM自带求解器在相应求解模型下的求解结果进行比较，以验证它们的可用性、求解精度及求解效率。第四章给出了商业CFD软件FLUENT及CFX与开源软件OpenFOAM在层流模型下的对比，目的在于验证OpenFOAM相对于商业CFD软件所具有的求解精度及求解效率。根据数值模拟的结果可知，本次对OpenFOAM自带稳态湍流求解器的修改是成功的，这在一定程度上扩大了OpenFOAM的应用范围。另外，对于在OpenFOAM平台上开发的投影算法求解器，它们不但具有良好的求解精度，还具有较好的求解效率，这使得OpenFOAM成为集SIMPLE算法、PISO算法、PIMPLE算法、PROJECTION算法的多种数值求解方法于一体的开源CFD软件。通过在OpenFOAM平台上修改算法求解器和开发投影算法求解器并进行相关数值计算，这对以后OpenFOAM平台的开发及研究具有重要的指导作用。
【作者】刘克；
【导师】潘华辰；毛洁；
【作者基本信息】杭州电子科技大学，机械电子工程，2014，硕士
【关键词】计算流体力学；OpenFOAM；投影算法；求解器；

【参考文献】
[1]张方.中医药现代化研究方法论[D].沈阳药科大学,2005.
[2]顾民,葛良全,秦健.基于改进ART2网络的电力负荷脏数据辨识与调整[J].电力系统自动化,2007,16:70-74.
[3]张剑,张巍,任少波,崔建海,刘运奎.偶氮基作为可离去导向基团辅助的C-H键定向硝化反应:区域专一性地合成邻苯二胺类化合物[J].有机化学.
[4]覃华.基于遗传神经网络的CRM市场营销数据挖掘模型的研究[D].广西大学,2003.
[5]潮兴兵.初中物理教材内容结构比较及其调查研究[D].西南师范大学,2004.
[6]李偲德.数字技术语境下本土建筑设计结合建造研究[D].大连理工大学,建筑学,2013,硕士.
[7]徐波.水稻秸秆还田综合利用技术推广研究[D].江西农业大学,微生物资源利用,2012,硕士.
[8]雷星.城市占道施工的交通影响与交通组织研究[D].重庆交通大学,交通运输规划与管理,2012,硕士.
[9]李郑波.甘肃省建设工程混凝土消耗量定额编制与研究[D].兰州理工大学,结构工程,2013,硕士.
[10]魏复海.健身马机构的设计与仿真[D].东北大学,机械设计及理论,2010,硕士.
[11]郭颖,刘洋,赵琴.石墨烯量子点-VB_2荧光能量转移法测定VB_2[J].广州化工,2014,23:138-139+173.
[12]李拥虎.氧化石墨烯/壳聚糖复合材料的制备及其载药性能研究[D].西南交通大学,2013.
[13]胡怀中,赵戈,杨华南.一种区间型二型模糊集重心的快速解法[J].控制与决策,2010,04:637-640.
[14]张瑞,姚郁,陈松林,马克茂.一类高速采样不确定系统的鲁棒H_∞滤波器设计[J].控制与决策,2006,07:739-744.
[15]RaghvendraThakur.经阴道应用聚丙烯合成网片行盆底功能重建的循证研究[D].吉林大学,妇产科学,2013,硕士.
[16]赵进.汽车变速器试验台驱动控制系统研究与仿真试验分析[D].华东交通大学,机械制造及自动化,2014,硕士.
[17]陈树婷.高中生情绪智力、人际关系和学业成绩的相关性研究[D].浙江大学,2006.
[18]钱江云.稀土掺杂发光玻璃陶瓷的制备与光谱学性能研究[D].浙江大学,材料科学与工程,2013,硕士.
[19]牟松.重庆文化旅游市场定位策略研究[D].西南师范大学,2003.
[20]底夏夏.三种药用植物的化学成分及生物活性研究[D].山东大学,药学,2013,硕士.
[21]曾哲明.图书馆图书管理信息系统的设计与实现[D].山东大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[22]陆涛.中国企业经营者激励机制与股票期权制度研究[D].对外经济贸易大学,国际贸易,2004,硕士.
[23]裴怀全.水产品脂肪酸气相色谱测定方法的比较优化及应用[D].吉林农业大学,动物营养与饲料科学,2012,硕士.
[24]章震.日本在华FDI的贸易效应研究[D].浙江大学,2013.
[25]张恒.两岸金融合作与交流深化的制度创新研究-ECFA的论述[D].南开大学,2012.
[26]吴修国.面向目标的迁移工作流建模方法研究[D].山东大学,2010.
[27]任毅.内蒙古巴彦淖尔市农村牧区劳动力转移就业的现状及对策研究[D].内蒙古大学,公共管理,2014,硕士.
[28]赵亮.几个小麦品种对麦长管蚜（Sitobion avenae）的抗性研究[D].甘肃农业大学,农业昆虫与害虫防治,2013,硕士.
[29]于娜.梁结构热屈曲和热振动优化的重特征值问题[D].大连理工大学,工程力学,2013,硕士.
[30]王东.化玻企业决策支持系统研究[D].南京气象学院,系统分析与集成,2004,硕士.
[31]刘琦.《人民日报》在“走转改”活动中的新闻报道研究[D].渤海大学,新闻学,2014,硕士.
[32]丁艳丽,胡胜亮,常青.氨基修饰碳点与酞菁锌复合结构的制备与性能[J].高等学校化学学报,2015,04:619-624.
[33]孙红秀.泡沫分离蛋白质研究[D].天津大学,化学,2013,硕士.
[34]程喆.民事诉讼当事人证据收集制度研究[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[35]殷成志.数字相控阵雷达多目标及环境模拟系统[D].南京理工大学,电子与通信工程,2012,硕士.
[36]曹东杰.软岩隧洞支护体系及施工安全技术研究[D].西南交通大学,桥梁与隧道工程,2013,硕士.
[37]梁连玉.信息技术企业孵化器的孵化绩效及其影响因素研究[D].华南理工大学,管理决策与系统理论,2014,硕士.
[38]孔为.大牛地气田山2段低渗透气藏储层特征研究[D].成都理工大学,矿产普查与勘探,2013,硕士.
[39]李鹏,吴敏,雷琪,曹卫华.基于多工况识别的焦炉燃烧过程多模态模糊专家控制(下)[J].冶金自动化,2008,03:10-12.
[40]任绍峰.首钢京唐高炉干法除尘控制系统的设计与实现[D].东北大学,控制工程,2010,硕士.
[41]王聪维.分布式视频编码中边信息研究[D].西安电子科技大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[42]李海云.90后大学生幸福感及其提升研究[D].华中师范大学,思想政治教育,2014,硕士.
[43]杨扬,李善平.分割位置提示的可变形部件模型快速目标检测[J].自动化学报,2012,04:540-548.
[44]韩敏.基于智能虚拟摄影机的用户视觉意象研究[D].哈尔滨工业大学,广播电视艺术学,2013,硕士.
[45]齐桂霞.改进的数字签名方案及应用研究[D].东北大学,计算机软件与理论,2010,硕士.
[46]朱琅.基于二分图的查询推荐算法[D].安徽大学,软件工程,2014,硕士.
[47]黄萍.民间文学艺术衍生作品的独创性研究[D].厦门大学,法律,2014,硕士.
[48]王勇斌.证券公司交易系统“同质性”故障的研究[D].复旦大学,计算机技术,2012,硕士.
[49]王牢靠.关联—顺应模式下的法官话语研究[D].湖北工业大学,外国语言学及应用语言学,2013,硕士.
[50]付乔.移动无线传感器网络数据采集算法设计[D].清华大学,信息与通信工程,2013,硕士.