OpenFOAM

【OpenFOAM(円筒内の流れ)】周期的に時間変化する境界条件

こんにちは(@t_kun_kamakiri

今回は境界条件の設定ファイルに直接C++のコードを埋め込んで初期化設定を行う方法について解説をします。C++と言ってもOpenFOAMで用意されている関数を上手く使って書くため特別すごいアルゴリズムを組むわけではありません。

OpenFOAMのカスタマイズにはC++の知識に加えてOpenFOAMのAPIを理解する必要があり、初心者にとってはハードルが高いでしょう。
そこで、OpenFOAMのカスタマイズはしてみたいけど難しそうと感じている人は、まずは本記事のような直接コードを書きこむcodeStreamを試してみると良いです。

本記事の内容
  • 円筒内流れの流入境界条件を周期的に時間変化する関数として与える
  • 境界条件の関数を直接コードに書き込む

前回の記事の続きです。

以前の記事では「円筒内流れ」をOpenFOAMでやってみました。

以下、blockMeshでメッシュを作成して円筒内流れを解析した結果です。

blockMeshでの結果

【OpenFOAM(円筒内の流れ)】blockMeshでメッシュ作成(1)

層流条件においては、流入境界での流速は1.0m/sの一定値ですが助走区間を経て徐々に2次関数で近似できるようになり、OpenFOAMの結果が2次関数と一致していることがわかります。

\begin{align*}
u=2u_{b}\bigg(1-\big(\frac{r}{R}\big)^2\bigg)\tag{1}
\end{align*}

では、境界条件を以下のように時間変化する関数として与えるにはどうすれば良いのか?というのが本記事の主題です。

\begin{align*}
u=2u_{b}\sin(\omega t)\bigg(1-\big(\frac{r}{R}\big)^2\bigg)\tag{1}
\end{align*}

OpenFOAMv2012(WSL2)

モデルファイルの入手

ベースとなるモデルファイルは以下からダウンロードできます。

こちらのモデルを使って境界条件のファイル設定を書き換えます。
具体的には「0/U」の境界面の名前「inlet」の条件をcodeStreamでコードを書いて設定を行います。

今回は時間変化を解くためOpenFOAMのソルバとしてはpimpleFoamを使います。

適当なチュートリアルをコピーして、

メッシュ情報を「円筒内流れblockMesh(層流)」で入手したものと入れ替えます。
具体的には「constant/polyMesh」を「Cylinder_blockMesh_laminar_codeStreamTime」の「constant」の中に入れます。

境界条件も入れ替えます。

「constant/turbulenceProperties」も以下のようにkOmegaSSTに変更します。

constant/turbulenceProperties

周期的な境界条件の設定(codedFixedValue)

0/Uの境界条件を2次関数で与えます。

0/U

以下の表を参考に関数を呼び出し必要な情報を取得します。

ClassDescriptionSymbolAccess function
volScalarFieldCell volumes $V$V()
surfaceVectorFieldFace area vector$\boldsymbol{S_{f}}$Sf()
surfaceScalarFieldFace area magnitude|$\boldsymbol{S_{f}}$ |magSf()
volVectorFieldCell centres$\boldsymbol{C}$C()
surfaceVectorFieldFace centres$\boldsymbol{C_{f}}$Cf()
surfaceScalarFieldFace fluxes$\boldsymbol{\phi_{f}}$Phi()

今回のように、

とすればセル中心の座標を取得することがでいます。

では、計算を実行させてみましょう。

結果はParaViewで確認します。流入境界条件が思った通りの速度分布になっているかを確認しましょう。

※まず、いきなりこのようなコードを書くのはしんどいので、時間を取得する関数が「this->db().time().value()」が使わているチュートリアルを探します。

いくつか候補が出てきますので適当なファイルを開いて眺めてみると勉強になります。

おすすめ参考図書

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☟こちらもOpenFOMの古いバージョンでの和訳になります。さすがにこちらはバージョンに対する日本語でのケアはしていないので、OpenFOAMに慣れている方は購入しても良いかと思います。僕は「日本語でまとまっている内容」なので少し重宝しています。

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初心者は「ってか、まずどうやってOpenFOAMをインストールするの?」というところからつまずきがちです。
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インストール方法とチュートリアルで流体解析を体験・・・ちょっと高度な解析まで解説があります。著者曰くOpenFOAMのバージョンの追跡を行いながら、書籍をアップデートするようなので安心ですね。

OpenFOAMコードの辞書的な扱いとしては以下の参考書が大変役に立ちます。
本記事ではESI版のOpenFOAMを使っているため本書のFoundation版で対応していない部分がありますが、その辺を考慮しても持っていて損はないでしょう。

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