OpenFOAM多物理场计算基础与建模电子书

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内容提要

前言

第1章　Linux操作系统基础

1.1　Linux操作系统简介

1.2　Shell及其基本操作

1.3　Linux文件系统结构及管理

1.4　gedit文档编辑

第2章　ParaView数据分析和可视化基础

2.1　ParaView图形用户界面组成

2.2　由数据源生成数据集和可视化

2.3　加载数据文件

2.4　ParaView数据模型

2.5　显示数据

2.5.1　创建视图

2.5.2　渲染视图（Render View）

2.5.3　图表视图（Chart View）

2.5.4　比较视图（Comparative View）

2.6　过滤数据（Filtering Data）

2.6.1　创建和修改过滤器

2.6.2　用于提取子数据集的过滤器

2.6.3　用于几何操作的过滤器

2.6.4　用于数据采集的过滤器

2.6.5　用于属性操作的过滤器

2.7　选择数据（Selecting Data）

2.7.1　使用视图创建数据选择

2.7.2　使用Find Data面板创建数据选择

2.7.3　提取和冻结数据选择

2.8　动画

2.8.1　动画视图（Animation View）

2.8.2　为包含时间值的数据集创建动画

2.8.3　设置动画中的相机参数

2.9　保存结果

2.9.1　保存数据集

2.9.2　保存渲染结果

2.9.3　保存动画

2.9.4　保存状态

2.9.5　提取器（Extractors）

2.10　ParaView高级设置

2.10.1　颜色设置

2.10.2　多块数据检查器（Multiblock Inspector）

2.10.3　注释

2.10.4　坐标轴设置

2.10.5　定制ParaView

第3章　OpenFOAM编程的C++基础

3.1　C++程序组成

3.1.1　C++程序的总体组成

3.1.2　C++语句

3.1.3　代码块

3.1.4　函数简介

3.2　C++支持的数据类型

3.2.1　基本数据类型

3.2.2　复合类型

3.2.3　数据的存储方式

3.2.4　名称空间

3.3　C++函数

3.3.1　处理数组的函数

3.3.2　处理字符串的函数

3.3.3　处理结构的函数

3.3.4　内联函数

3.3.5　使用引用变量作为函数形参

3.3.6　函数的默认参数

3.3.7　函数重载

3.3.8　函数模板

3.4　类和对象

3.4.1　类的定义和使用

3.4.2　对象数组

3.4.3　操作符重载

3.4.4　友元

3.4.5　类对象作为返回值时的返回种类

3.4.6　静态数据成员和静态成员函数

3.4.7　类的类型转换

3.4.8　指向对象的指针

3.4.9　类继承

3.4.10　类模板

第4章　OpenFOAM编程基础

4.1　OpenFOAM介绍

4.1.1　OpenFOAM简介及功能

4.1.2　OpenFOAM安装

4.1.3　OpenFOAM的目录结构

4.2　OpenFOAM中的张量运算

4.2.1　张量表示法

4.2.2　张量运算

4.2.3　二阶张量及其代数运算

4.2.4　常用矢量公式

4.2.5　张量运算在OpenFOAM中的表示

4.2.6　OpenFOAM中的基本张量类

4.2.7　OpenFOAM中的量纲和单位制

4.3　OpenFOAM的基本数据类型

4.3.1　简单数据类型

4.3.2　Tuple2

4.3.3　多项式方程

4.3.4　链表

4.3.5　HashTable

4.3.6　autoPtr

4.3.7　物理常数

4.4　编程中常用的OpenFOAM标准类

4.4.1　tmp

4.4.2　refCount

4.4.3　IOobject

4.4.4　dictionary

4.4.5　Time

4.4.6　argList

4.4.7　token

4.5　Foam名称空间

4.5.1　Foam名称空间中的函数

4.5.2　Foam名称空间中的变量

4.5.3　Foam名称空间中的别名

4.6　OpenFOAM中的物理场类

4.6.1　Field

4.6.2　FieldField

4.6.3　DimensionedField

4.6.4　GeometricField

4.6.5　Boundary

4.6.6　fvPatchField

4.7　OpenFOAM编程语句

4.7.1　简单语句

4.7.2　与字典操作相关的语句

4.7.3　输入输出

第5章　有限体积法基础

5.1　物理现象的数学描述

5.1.1　控制微分方程的物理含义

5.1.2　质量守恒方程

5.1.3　动量守恒方程

5.1.4　能量守恒方程

5.1.5　化学组分守恒方程

5.2　离散方法

5.2.1　偏微分方程数值求解的总体过程

5.2.2　有限体积法离散

5.2.3　以单元为中心的FVM

5.2.4　离散方法需满足的基本原则

5.2.5　有限体积网格

5.3　代数方程组求解

5.3.1　直接法

5.3.2　迭代法

5.3.3　求解代数方程的松弛技术

5.3.4　方程的残差

5.4　扩散项的离散

5.4.1　二维规则笛卡儿网格内部单元上的离散

5.4.2　二维规则笛卡儿网格边界单元上的离散

5.4.3　非均匀扩散系数的处理

5.4.4　非正交非结构化网格时的离散

5.4.5　非正交网格时的边界条件

5.4.6　网格偏斜时的离散

5.4.7　各向异性扩散

5.4.8　正交曲线坐标系中的离散

5.5　梯度计算

5.5.1　笛卡儿网格中的梯度计算

5.5.2　非结构化网格上的梯度计算——Green-Gauss梯度

5.5.3　非结构化网格上的梯度计算——最小二乘梯度

5.5.4　由单元质心上的梯度插值得到面的上梯度

5.6　对流项的离散

5.6.1　一维网格时的中心差分法

5.6.2　一维网格时的迎风格式

5.6.3　一维网格时的顺风格式

5.6.4　一维网格时的截断误差

5.6.5　数值稳定性

5.6.6　高阶迎风格式

5.6.7　二维稳态对流项的离散

5.6.8　非结构化网格时的高阶方法

5.6.9　迁延修正法

5.7　对流项离散的高精度格式

5.7.1　NVF

5.7.2　对流有界性准则

5.7.3　NVF框架下的HR格式

5.7.4　TVD框架及该框架下的HO和HR格式

5.7.5　非结构化网格中的HR格式

5.7.6　HR格式的迁延修正、DWF和NWF方法

5.7.7　对流边界条件

5.8　瞬态项的离散

5.8.1　有限差分法

5.8.2　有限体积法

5.8.3　非均匀时间步时的离散

5.9　源项的离散

第6章　编写OpenFOAM算例

6.1　OpenFOAM算例的基本目录结构

6.2　OpenFOAM算例文件的基本格式

6.3　划分网格

6.3.1　OpenFOAM中与网格有关的类

6.3.2　OpenFOAM中的网格描述

6.3.3　使用blockMesh划分网格

6.4　设置微分方程离散方法

6.5　设置代数方程求解方法和误差

6.6　求解过程控制

6.6.1　全局控制

6.6.2　时间和数据输入／输出控制

6.7　边界和边界条件

6.7.1　边界

6.7.2　OpenFOAM中与边界有关的类和函数

6.7.3　边界条件

6.7.4　OpenFOAM中边界和边界条件的关系

6.8　使用#codeStream的内联编程

6.8.1　使用#codeStream代码定义边界条件

6.8.2　使用#codeStream代码定义初始条件

6.8.3　使用#codeStream代码同时定义初始条件和边界条件

6.9　模型和物理特性

6.9.1　热物理模型

6.9.2　紊流模型

6.9.3　输运／黏度模型

6.10　后处理

6.10.1　后处理命令行

6.10.2　数据采样和监测

6.11　算例管理工具

第7章　编写OpenFOAM求解器

7.1　OpenFOAM求解器组成

7.2　编写OpenFOAM求解器时常用的标准头文件

7.3　定义描述物理场的变量和常量

7.3.1　定义常量

7.3.2　定义变量

7.4　方程离散

7.4.1　fvMatrix类模板

7.4.2　fvc和fvm名称空间

7.4.3　微分方程的表示

7.5　编写OpenFOAM求解器时常用的语句块

7.5.1　物理场典型操作语句

7.5.2　访问Time和fvMesh类对象的属性

7.5.3　访问GeometricField类对象的属性

7.6　求解器编译

7.6.1　使用wmake编译

7.6.2　使用wclean删除依赖列表

7.6.3　编译库

7.6.4　调试消息

7.6.5　将用户定义的库链接到应用程序

7.7　运行求解器

7.7.1　运行求解器的方法

7.7.2　并行运行应用程序

7.8　编写新求解器的一般方法

7.9　OpenFOAM中的常用标准求解器

7.9.1　基本CFD代码

7.9.2　不可压缩流动求解器

7.9.3　可压缩流动求解器

7.9.4　多相流

7.9.5　传热和浮力驱动流求解器

7.9.6　其他求解器

7.10　OpenFOAM中的标准实用程序

第8章　物理场计算实例——不可压缩流体流动求解器

8.1　动量方程的离散

8.2　压力修正方程

8.3　求解算法

8.3.1　SIMPLE和SIMPLEC算法

8.3.2　PISO算法

8.3.3　PIMPLE算法

第9章　物理场计算实例——多区域静磁场求解器

9.1　静磁场的控制方程

9.2　控制方程的有限体积离散

9.3　同一磁介质内单元间界面上的相对磁导率

9.4　不同磁介质间界面上的边界条件

9.5　基于多区域耦合方法的求解器编制

9.5.1　创建网格、场和不同种类的区域

9.5.2　控制方程的离散和求解

9.5.3　定义边界条件

9.6　求解器验证

第10章　物理场计算实例——铁磁流体磁-流耦合流动求解器

10.1　控制方程

10.2　方程离散和求解方法

10.2.1　磁场方程的离散和求解

10.2.2　动量方程的有限体积法离散和求解

10.2.3　磁化方程的有限体积法离散和求解

10.2.4　总体求解过程

10.3　求解器编制

10.3.1　求解器组成

10.3.2　建立参数和变量

10.3.3　控制方程的离散和求解

10.3.4　后处理——铁磁流体对壁面的平均剪切应力和铁磁流体内涡旋强度的计算

10.3.5　算例组成

10.4　求解器验证

10.4.1　无磁场作用时的铁磁流体平面Couette-Poiseuille流

10.4.2　铁磁流体平面Couette流在小剪切率时垂直于外磁场方向上的磁化强度

10.4.3　垂直于流动方向恒定磁场作用下的铁磁流体平面Couette-Poiseuille流

第11章　物理场计算实例——纳米颗粒直接荷电过程多场耦合求解器

11.1　控制方程

11.1.1　电晕放电过程

11.1.2　Fuchs扩散荷电模型

11.1.3　边界条件和初始条件

11.2　求解方法

11.2.1　区域离散和方程离散

11.2.2　求解过程

11.2.3　计算结合系数β的方法

11.3　求解器编制

11.3.1　求解器组成

11.3.2　建立参数和场量

11.3.3　控制方程的离散和求解

11.3.4　计算离子-颗粒结合系数

11.3.5　定义边界条件

11.3.6　算例组成

11.4　求解器验证

11.4.1　电场分布计算结果验证

11.4.2　离子-颗粒结合系数计算结果验证

11.4.3　荷电效率计算结果验证

参考文献