OpenFOAM常用类的一些总结-HQY
2013-08-28 10:55阅读：
OpenFOAM中有许多类，每个类的功能都很强大，这也使它面向对象设计得以实现。
对于程序，最常用到的，也是最底层的就是数据，在OpenFOAM中引入了三类基础数据类型：标量scalar, 向量vector,
张量tensor.这三个中数据类型，也是FOAM中最基础的三个类。(还有一个比较重要的就是bool和label，前者就是是非型，及对错型，只不过是更扩展一些，后者是标签型数据，相当于c中的整型。关于更多的其它数据类型可以参看目录..\src\OpenFOAM\primitives里面)
在上述数据类的基础上，增加场（field）的概念，就引入了标量场scalarField, 向量场vectorField,
张量场tensorField.实际上这三个类又是field类的typedef，如typedef
field<scalar>
saclarField。这些场类中都有对应的成员函数进行加减乘除运算，还有复杂的点积叉积等。说到这field
class,其实他就像是一个数据存放的区域一样，存放上scalar，那它成了标量场scalarField。这些类中可以有接口实现数据的计算。从field类中又派生出了FieldField类，这个就是说场中场类，其实这个主要用于边界条件类的一个基类。因为边界条件算是网格类场中的一个特殊的场，后面会介绍。
比field类高一点的就是几何场类 GeometricField class，其相比field
class多了纪录场位置的相关信息。说到这里请大家注意他和polyMesh
class的区别，后者只是纪录网格的结构，如点的位置、面的组成、体的组成等等，
polyMesh
class中对应有pointMesh,surfaceMesh,volMesh等类，从字面上很容易理解其处理和记录网格点、网格面、网格体等信息。而
GeometricField类，其则是记录了在什么样的网格上有量a的相关信息或数据。它包括了内部区域、边界区域（GeometricBoundaryField
class）、网格、尺度单位、计算的先前时间阶的值等。在该类中有常用的三种（实际上还有其他的许多，可以参看OpenFOAM网上说明）:volScalarField体标量场,volVectorField体向量场，volTensorField体张量场。这里说的场与field有所不同，这里指的是网格区域上所对应的数据信息。上述的vol就是指ployMesh中的volMesh，如volscalarField类来说：见下例
volScalarField
p
(
IOobject
(
'p',
runTime.timeName(),
mesh,
IOobject::MUST_READ,
IOobject::AUTO_WRITE
),
mesh
);
看过老苏博客的朋友肯定都知道这是什么意思，这是
读入标量压力场文件，把压力值存储到网格体中心。为加深对GeometricField类的理解，贴张PG中的图片：
除了体的向量标量张量场外，还有面标量场surfaceScalarField、面向量场surfaceVectorField、面张量场surfaceTensorField。看下面的例子：
surfaceScalarField
phi
(
IOobject
(
'phi',
runTime.timeName(),
mesh
),
fvc::interpolate(alpha)*phia
+
fvc::interpolate(beta)*phib
);这里的phi既是一个面向量场对象，他用来是纪录
单元体面上流过的通量值。
除了常用到的标量向量张量的几何场外，还有一些特殊量的场：surfaceSymmTensor面对称张量几何场、体球面张量场等等。几何场里面还有一个比较重要的类就是GeometricBoundaryField，用来专门对边界进行处理的一个类。
如果说数据场类是处理数据的基础，那么时间类则是控制计算步进必不可少的一部分。
Time
class在进行瞬态计算，用它跟踪时间阶，并使时间按一定步长或者变步长累加，及输出计算参数，计算时间等。见下例：（相关说明见老苏博客：
OpenFOAM>>solver>>incompressible>>icoFoam的说明）
Info<< 'Starting time loop' <<
endl;
for (runTime++; !runTime.end();
runTime++)
{
Info<< 'Time = ' <<
runTime.timeName() << nl << endl;
//……
runTime.write();
Info<< 'ExecutionTime = ' <<
runTime.elapsedCpuTime() << ' s'
<< '
ClockTime = ' <<
runTime.elapsedClockTime() << ' s'
<< nl << endl;
谈到时间大家很容易想到的就是空间，time and
space是cfd中非常重要的概念，在离散过程中时间和空间都需要进行离散（非稳态情况），与空间相关的类其实上面已经提到：ployMesh
class，在这不在累述。需要附加说明的是边界条件类：边界条件在OpenFOAM被定义作为场的一个完整部分而不是场上额外附加的。在fvMatrix类中并入了patch用来定义区域的外部边界。每一个patch有一个边界条件，再由fvm用合适的方式进行操作处理。
patch有多种类型：calculated，fixed
value, fixed gradient, zero gradient, symmetry,
cyclic等。这些类型都继承于基类patchField。
在求解之前，需要对偏微分方程组进行离散，转化为线性方程组[A][x]=[b]的形式。其中[x]就是我们所要求的量，他也就是咱们前面介绍的GeometricField类，而[A]代数方程的系数，他就是我们下面所要提到的fvMatrix类。对于偏微分方程的每一项，OpenFOAM应用两个类来离散：
finiteVolumeMethod和finiteVolumeCalculus,分别用typedef声明为fvm和fvc.
fvm是计算隐式导数从而返回fvMatrix，而fvc是计算显式导数或者其它隐式计算返回geometricField，该类不存储私有数据，仅是执行操作从一个量map到另外一个量上。对于偏微分方程，其中有很多种
导数形式：拉普拉斯、时间导数、二阶时间导数、对流项、散度、梯度、梯度梯度平方、旋度、源等，在OpenFOAM中的表示见下图：
离散化时空之后，就是解方程，其实求解方程的过程主要分成如下几部：1.离散偏微分方程，2.线性化方程组，3.对应不同的倒数格式选择差分格式，4.求解系数矩阵，5.解方程。在这就涉及到了一个重要的部分：矩阵。Matrix是OpenFOAM中的一个模板类，他是一个用来存储及运算标量张量等类型数据的2维矩阵。这个矩阵类有点像数学上的矩阵一样。对于应用于数值求解矩阵，OpenFOAM引入了
fvMatrix类，这个就是有限体积（finite
volume）矩阵类，他是一个特殊的矩阵类型，
应用于求解有限体积标量方程组，该类成员函数可以实现给定相应场的求解、通量的计算、残差的计算和控制、方程松弛因子的实现，方程中心系数(central
coefficient, 公共成员函数A())和H操作源(H operation
source，成员函数H()）的计算、设定计算参考等。在此需要提到的是fvMesh类，该类和GoeMesh类差不多，不同之处在于fvMesh类它包含相应网格信息和拓扑结构的同时，还对网格进行实时更新（动网格的时候）。这些更新包括删除单元体面等，并按要求重新定位并计算新的信息。下面举一些关于fvMatrix应用的例子：（选自icoFoam）
fvVectorMatrix UEqn
(
fvm::ddt(U)
+ fvm::div(phi, U)
//div，散度是代表某量通过单元体的面积分，此处phi为一个通量场，该场的值被记录在单元体的面上，而U就是由通量所输运的量，而该速度值则被记录在单元体中心点上。
- fvm::laplacian(nu, U)
);//源项可以使显式的，在离散时进入方程的右端，当源项为隐式的时候他进入方程的系数矩阵中。
solve(UEqn == -fvc::grad(p
));//关于==，一直有所疑问，听老苏分析挺有道理，最近你看到一篇文章上说==的定义是用来表示数学意义上的方程左右两端的等于，这个运算符为了使其有最低的的运算优先级所以采用了==，而非=，同时也强调了方程两端得等的概念，而非赋值。在OpenFOAM中，对==的操作实际上是形式上的，而非实质上有什么运算，它自动重排方程各项：所有隐式项写进方程矩阵中，而所有显式项则归于方程的b中。
volScalarField rUA = 1.0/UEqn.A();
U =
rUA*UEqn.H();
pEqn.setReference(pRefCell, pRefValue);
pEqn.solve();
例子中fvVectorMatrix为一向量有限体积矩阵类，OpenFOAM中定义 typedef
fvMatrix<Vector>
fvVectorMatrix，其他的还有标量、张量等。其他关于上述程序的说明参看老苏博客。
再看如下例子：
fvMatrixScalar rhoEq
(
fvm::ddt(rho)+fvc::div(phi)
);//
此处是一个关于质量守恒方程的求解，对于phi为密度与速度的积，而此时采用fvc即表示速度通量在方程中作为已知量，出现在方程的b项中，它是计算前一时间阶的值。
说了一些常用的类，下面介绍一些比较基础底层的类：IOdictionary，argList，IOobject，
IOdictionary类是继承于regIOobject类和dictionary类，其主要作于是读入和写入数据。如读取PISO控制参数，或读入transportProperties参数等等。
它派生出许多类：
1. basicThermo(用于基本热力学参数读取和计算)
2.
LESModel（大涡模拟模型控制参数）
3.
RASModel （RAS模型控制参数）
4.
fvSchemes （离散格式参数）
5.
motionSolver （动网格控制参数）
6.
radiationModel （辐射模型控制参数）
7.
solution （求解方程控制参数）
8.
SRFModel （SRF模型控制参数）
9.
tolerances （方程残差控制）
10.
transportModel （输运模型参数）
见下例：
IOdictionary transportProperties
//在transportProperties字典中读入参数
(
IOobject
(
'transportProperties',
runTime.constant(),
mesh,
IOobject::MUST_READ,
IOobject::NO_WRITE
)
);
IOobject类：读入写入数据，他与IOdictionary不同之处在于后者是读取一个文件中的一个字典“{}”之内的数据，而IOobject则是读入整个文件，如读入压力场，速度场等，并且有读入写出的控制参数，见上例中的“MUST_READ,NO_WRITE”等等。（老苏博客中有详细介绍，在此不多说了）
argList类：读入外部命令参数的一个类，如在命令窗口键入icoFoam
-case
<dir>,则对目录dir执行icoFoam计算，其参数有：-case
选择一个case目录替代当前工作目录；-parallel
指定并行计算参数； -doc显式该程序文档；
-srDoc
在浏览器里显示该程序的源文件； -help 显示改程序的使用方法
dimensionSet类是对基本类型的单位设定，并检查其正确性。
tmp类是管理临时对象的一个类。
来源： <http://blog.sina.cn/dpool/blog/s/blog_5333fbde0100dagt.html?vt=4>
来自为知笔记(Wiz)
