39.fvOption_framwork.md · yunoicy/openFoamUserManual

###  39  fvOption架构

**fvOption**架构处理数值流动模型的源项和约束。**fvOption**框架可以将各种约束或源项插入到现有求解器中，而无需对求解器进行任何修改。此外一般的源项和约束，有许多特殊的源项代表一个特定的物理模型，例如， 多孔区对动量方程的影响。

**fvOptions**框架是在2013年随着**OpenFOAM-2.2.0**[108]的发布而引入的，并沿用至今。

###### 动机

**fvOption**架构的使用在一个例子中得到了最好的解释。方程(57)表示一个通用标量C的对流输运方程，例如，被动示踪剂浓度。在RHS(公式右侧)，我们看到通常的线性化源项。在例子中，如果示踪剂通过入口进入模拟区，那么所有，那么一切都好，并且对示踪剂浓度C来说一个入口边界就足够了。然而，如果示踪剂是通过探针引入的，我们不想用网格[109]来解决这个问题，那么我们需要一个机制来引入示踪剂浓度C到模拟区。这就是**fvOption**显身手的地方，它使我们，在探针尖端的位置，可以通过指定场C的注入速率或一个固定值来解决问题。

$\frac{\partial C}{\partial t} + \nabla \cdot(C u) = S_u +S_p C \tag{57}$

**fvOption**架构提供了一个固定值约束和一个半隐式源项，可以用它来建模示踪剂生成探针。

###### 应用

在下面的列表 244中，在**OpenFOAM**中的一个可压缩流动求解器的能量方程。在这个列表中，

对**fvOptions**架构的所有调用都用红色、绿色和蓝色标记。可以看到**fvOptions**架构既可以用于某个场量本身的控制方程，也可以用于控制方程求解后，来计算场量 。

{
		volScalarField & he = thermo .he ();
		fvScalarMatrix EEqn
		(
			fvm::ddt(rho , he) + fvm::div(phi , he)
		  + fvc::ddt(rho , K) + fvc::div(phi , K)
		  + (
				 he.name () == "e"
			   ? fvc::div
				(
					fvc::absolute(phi / fvc::interpolate( rho), U),
					p,
					" div(phiv ,p)"
				)
			: -dpdt
			)
		   - fvm :: laplacian(turbulence->alphaEff() , he)
		  ==
			fvOptions(rho, he)
		);
	    EEqn.relax();
	    fvOptions.constrain(EEqn);
	    EEqn.solve();
	    fvOptions.correct(he);
	    thermo.correct();
	}
列表244：可压缩单相求解器*rhoPimpleFoam*  能量方程的**EEqn.H**文件

一个使用**fvOptions**架构的求解器，创建一个**fvOptionList**类型的对象，它是一个**fvOptions**列表。这也是为什么对**fvOptions**架构的所有调用都必须传递参数的原因。否则，架构将无法将选项指定给各自的方程。在一个单相模拟多孔区域的算例中，我们可以使用**fvOptions**架构来考虑动量方程中的附加流动阻力，或者对湍流模型方程施加某类源项。因此，必须遍历选项列表以找到并应用适当的**fvOption**到相应的模型方程。

在下面的列表245中，用**fvOptionList::constrain()**方法作为**OpenFOAM**使用**fvOptions**的例子。对每个选项遍历所有选项的列表，检查每个选项是否适用所提供的模型方程 。如果适用，决定该选项是否启用，即它是否处于活动状态，如果是，则通过调用**fvOption**类中的**constrain()**方法，使用该选项，即调用源项本身的**constraint()**方法。

```
template<class Type>void Foam::fv::optionList::constrain(fvMatrix<Type>& eqn)
{
	checkApplied();
	forAll (*this, i)
	{
		option& source = this->operator[](i);
		label fieldi = source.applyToField(eqn.psi().name());
		if (fieldi != -1)
		{
			 source.setApplied(fieldi );
			 if (source.isActive ())
			 {
			 if (debug)
			 {
				 Info<<" Applying constraint" <<source.name()
					 <<" to field " <<eqn.psi().name()<<endl ;
			 }
			 source.constrain(eqn, fieldi);
			}
		}
	}
}
```

列表245： **fvOptionList**类中的**constrain()**方法

上表显示的操作模式，对所有**fvOptions**架构的调用都相同，如列表244所示，每次调用都会遍历选项列表，并应用所有可用选项。

#### 39.1 控制空间和时间

许多**fvoption**是从基类**cellSetOption**派生的，它控制fvOption在何时何地激活。这用于多孔区，这个多孔区只是模拟区域的一部分，或者用于持续一段时间的示踪剂注入。

从**cellSetOption**派生的**fvoption**的激活时间，由关键字**timeStart**和**duration**控制。通过提供**cellZone**或者**cellSet**集的名称，指定空间的点，或提供单元格标签，可以选择要执行该选项的作用区。

然而，这并不适用于所有的**fvOptions**。对它们中的一些来说，对一段时间或特定区域的限制完全没有意义，例如，考虑动量方程上的浮力。

#### 39.2 选项类型

**fvOptions**框架实现许多选项，这些选项分为以下类别：

##### 39.2.1 约束

约束作用于已计算的场。当**fvOptions.constrain()**调用时，我们可以从代码中推断出这一点，相关行在**列表244**中以绿色高亮显示。

有了约束，某些位置的固定值可以强制施加到一个另外计算过的场中，例如，如果求解作为示踪剂或标记的标量被动输运问题，可以定义某些单元，其中标量的值固定。这些位置是追踪器注入模拟区域所在的位置空间的点。

在撰写本书时，可用的约束条件包括：

•固定值约束

•固定温度约束

##### 39.2.2 修正

修正是一种作用于计算完的场量的选项。当**fvOptions.correct()**被调用时，可以从指向代码中推断出这一点，相关行在**列表244**以蓝色高亮显示。

在撰写本文时，可用的更正包括：

•极限温度

•极限速度

##### 39.2.3 源项

源项将源和汇添加到某个场的控制方程中。因此，一个源影响场量，是通过其控制方程的求解过程来体现的。当调用**fvOptions()**时，我们可以从代码中推断出来，相关行在**列表244**中以红色高亮显示。与约束和修正不同，源项调用**()-operator**类**fvOptionsList**。

在**OpenFOAM**中有大量可用的源项，从一般的源项，例如，**codedSource**或**semiImlicitSourece**到用于某些特定的目的特定的源项，例如，**actuationDiscForce**，**buoyancyForce** 等等。

#### 39.3 源项

本小节包含来自**fvOptions**架构的不完整源项列表。

##### 39.3.1 孔隙度模型

**fvOptions**架构可用于模拟多孔区对流动的影响，例如，催化排气净化器。在流体的动量方程中，多孔介质的存在可以看作一个汇。**explicitproositysource** **fvOption**可用在流动模拟中多孔区域的影响。

**列表246**显示了*pimpleFoam*的动量方程。在这里，**fvOptions**架构的贡献体现在RHS。孔隙度模型在RHS上引入一个负项，因为穿过多孔区域需要额外的力来驱动流体。

fvm::ddt(U) + fvm::div(phi, U)
		+ MRF.DDt(U)
		+ turbulence->divDevReff(U)
	==
		fvOptions(U)
					Listing 246: pimpleFoam 求解器UEqn.H文件中的动量方程

###### 定系数

**fixedCoeff**模型计算与速度和平方速度。该模型具有两个模型常数: $\alpha$ 和 $\beta$

$S = - \rho_{Ref} (\alpha + \beta |u|)u \tag{58} $

或者重排一下：

$S = - \rho_{Ref} (\alpha |u| + \beta |u|^2)u  $

在**OpenFOAM**中α和β是矢量量。另外还有一个参考坐标系统为多孔区，可考虑各向异性孔隙度。各向同性孔隙度是一种特殊情况，通过选择α和β的各分量相等来表示。

###### 幂律

**powerLaw**模型计算动量贡献S，它与模型常数$C_0$和速度的$C_1$次方成正比。**powerLaw**模型不支持各向异性。

###### DarcyForchheimer

**DarcyForchheimer**模型与**fixedCoeff**模型非常相似。它也有两个与线性和平方速度成比的项。这个模型是达西模型$U = -\frac{\kappa}{\mu}\frac{dp}{dx}$的组合，对层流是有效，并且可以扩展更高的雷诺数，被称为**Forchheimer**模型$-\frac{dp}{dx} = \frac{\kappa}{\mu}U + \frac{\rho}{\kappa_2} U^2$。达西模型与κ成正比，即多孔介质的渗透率，[κ]=m2。**Forchheimer**模型引入了$k_2$，惯性渗透率，[$k_2$]=m。

**OpenFOAM**实现**DarcyForchheimer**模型有两个模型常数。这个达西系数d是渗透率d倒数$d=1/κ$，而**Forchheimer**系数f是惯性渗透率的倒数$f=1/k_2$

$S = -(\mu d + \frac{1}{2}\rho |u|f)U \tag{60}$

或者重排为：

$S = -\rho (\nu d  |u| + \frac{1}{2}|u|^2 f)\rm e_u$

在OpenFOAM中，d和f是向量量，也是**fixedCoefff**模型的系数。除了多孔区域的参考坐标系外，还可以考虑各向异性孔隙度。各向同性孔隙度通过选定d和f的各分量相等，作为各向异性的一个特例。

##### 39.3.2相位稳定

在**OpenFOAM-6**[110]中引入了一个**fvOption**源项，当相分数低于某个阈值时，可以使输运方程数值计算稳定。当相分数低于某一阈值，它将隐式源项添加到输运方程所有单元。

用相分数场表示的输运方程的求解在数值上变得更加复杂，当某些单元的相分数场趋于零时，就更难。添加隐式源项在这些单元中，可以确保离散化的方程组不会变得不适定。当一个输运方程由于相位分数趋于零而变得不适定，线性方程组求解就会因浮点错误失败。

**列表247**显示了这个源项类相关方法的代码。max()语句确保该源项仅英用于相分数**alpha**小于阈值 **residualAlpha**的单元。

```
template<class Type> void Foam::fv::PhaseLimitStabilization<Type>::addSup
(
	const volScalarField& alpha,
	const volScalarField& rho,
	fvMatrix<Type>& eqn,
	const label fieldi
)
{
	const GeometricField<Type,fvPatchField, volMesh>& psi = eqn.psi();
	uniformDimensionedScalarField & rate =
		mesh_.lookupObjectRef<uniformDimensionedScalarField>(rateName_);

eqn -= fvm::Sp(max( residualAlpha_ - alpha, scalar(0))*rho*rate,psi);

}
```

列表247：类**PhaseLimitStabilization**的**addSup()**方法

从**列表247**中的代码可以看出，用**uniformDimensionedScalarField rate**来计算

隐式源项。**uniformDimensionedScalarField rate**可以由**codedFunctionObject**创建然后在网格上注册。仅当**UniformMDimensionedScalarfield rate **在网格注册时，**PhaseLimitStabilization**源项能通过网格的**lookup()**方法访问它。**列表248**展示了如何做到这一点的例子。去注册计算速率场的相关行代码红色高亮显示。如果省略这一行，那么**fvOption**源项将因尝试查找不存在的场而中止。有关对象注册表的详细信息，请参见第**57.7**节

```
functions
{
	rate
	{
		libs	 (" libutilityFunctionObjects.so");
		type coded ;
		name rate ;
		codeRead
		#{
			static autoPtr < uniformDimensionedScalarField > pField ;
			if (! pField.valid())
			{
				pField.set
				(
					new uniformDimensionedScalarField
					(
					IOobject
					(
						"rate.water",
						mesh().time().timeName() ,
						mesh() ,
						IOobject::NO_READ ,
						IOobject::NO_WRITE
					),
					dimensionedScalar("rateInit", dimensionSet(0,0,-1,0,0,0,0),1.0)
					)
				);
			}
			uniformDimensionedScalarField& rate = pField();
			rate.checkIn();
		#};
	}
}
```

列表248：使用文件**controlDict**中的**codedFunctionObject**计算速率场。

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