OPENFOAM CFD TOOLKIT C++ Dipl.-Ing. (FH) Thomas Tian Symposium Integrale Planung und Simulation 2012

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1 OPENFOAM CFD TOOLKIT C++ Dipl.-Ing. (FH) Thomas Tian Symposium Integrale Planung und Simulation 2012

2 Inhaltsverzeichnis Einleitung und Historisches Was ist OpenFOAM? OpenFOAM Mathematische Sprache Strukturen, Aufbau und Navigation in OpenFOAM Community Bezugsquellen Questions and Discussion

3 Historisches Historisches Entwickelt am Imperial College London seit Anfang der 90ziger. In Professor Gosman s Gruppe ( Thermofluids Section ) Maßgeblich von Henry Weller und Hrvoje Jasak Henry Weller hatte den ersten Code für ein unsteady laminar flow schon längst geschrieben. Hrvoje Jasak (1993) begleitet Henry Weller im Rahmen seiner Promotion und lernte viel über CFD und Softwareentwicklung Ab 2000: kommerzielle Software, vertrieben durch die Firma Nabla Ltd. Im Rahmen seiner Position als Technical Director und Chief Architect of FOAM sollte die Software kommerzielle Anwender wie auch die Universitäten bedienen. Software zur damaliger Zeit leistungsstark, aber zu kompliziert für die Anwender. Daher setzte sich FOAM überwiegend nur im akademischen Bereich durch. Ende 2004 wurde die Firma aufgelöst. Seit 2005 wurde FOAM unter den Namen OpenFOAM Version1.2 unter der Public Domain Licence veröffentlicht. großes Interesse, besonders von Universitäten (über 200) Nun stieg auch das Interesse von kommerziellen Firmen wie Volkswagen.

4 Einleitung OpenFOAM Was ist OpenFOAM? OpenFOAM ist ein allgemein programmierbares Softwaretool für Anwendungen in Computational Fluid Dynamics. Für Simulationen im 3-dimensionalen Raum. OpenFOAM ist ein frei verwendbares Open Source Programm. Wurde unter der GNU General Public Licence programmiert. Frei zu verwenden bedeutet, dass man die Software auf über 1000 CPUs parallel verwenden könnte, ohne Support oder Lizenzen zu bezahlen! Die Software wird weltweit von vielen Anwendern aus der Industrie, Forschung und Universitäten weiter entwickelt. Die Open Source CFD Toolbox ist in C++ geschrieben. OpenFOAM steht für Field Operation And Manipulation.

5 Einleitung OpenFOAM OpenFOAM ist eine Toolbox, keine Black-Box! OpenFOAM liefert den ganzen Programmiercode aus. Eigene Anwendungen für das jeweilige CFD Problem kann selbst entwickelt werden. Standardfunktionen können durch Bibliotheken zum eigenen Code gebunden werden. Top-Level-Solver Code beinhaltet die Gleichungen die gelöst werden sollen: Die Software versucht die natürliche Sprache der Strömungsmechanik nachzubilden. Verfügt über eine hoch entwickelte symbolische Benutzerschnittstelle, die es möglich macht, spezielle Gleichungssysteme ohne großen Programmieraufwand zu implementieren.

6 Kommerzielle Software Übliche kommerzielle CFD-Solver: Überwiegend nur ein Programm (Executable) für alle Problemstellungen in der Strömungsmechanik. Innerhalb des Codes selbständige Umschaltung der Algorithmen. Programmiert in Fortran oder C, alte Grundstrukturen, aber stetig erweitert. Keine Einsicht im Programmcode und auch nicht veröffentlicht. Gegenüber OpenFOAM erscheint immer eine Lösung.

7 OpenFOAM Versionen Zwei hauptsächliche Entwicklungen von OpenFOAM OpenCFD NABLA 1.5-dev 1.6-ext 2.0-ext OpenFOAM Extend demnächst

8 Was ist der Unterschied? OpenFOAM-2.1.x ist die stabilere Version, die als ausführbaren Dateien angeboten werden. Die Version sollte für die meisten Anwender die erste Wahl sein. Beinhaltet die neuesten Fehlerbeseitigungen (bug-fixed) Nachteil: Gegenüber der OF Extend Version weniger getestet. OpenFOAM -1.6-ext hat keine Beziehung mit OpenCFD. Wird überwiegend von der Community entwickelt. Sollte in der offizielle Version besondere CFD Methoden fehlen, lohnt sich ein Blick in der Extend Version (Beispiel: GGI, Block Matrix und Block Solver).

9 OpenFOAM Mathematische Sprache ρu t + ϕu U ρ R= p 1. Locate rate of changeρu 2. Convective rate of change ofρu 3. Viscous dissipation (laminar + turbulent) 4. Pressure gradient solve ( ); fvm::ddt(rho, U) + fvm::div(phi, U) + turbulence->divrhor(u) == - fvc::grad(p) solve -Funktion hat verschiedene Aufgaben, abhängig vom Typ +,-, == Operatoren wurden in OpenFOAM neu definiert divrhor -Funktion wird abhängig vom Turbulenzmodell definiert Verbessert die Lesbarkeit des Codes!

10 OpenFOAM Mathematische Sprache Quelle: Dokumentation OpenFOAM

11 OpenFOAM Struktur X Quelle: Dokumentation OpenFOAM FoamX wurde seit der OpenFOAM Version 1.4 eingestellt. Die Entwicklung von Lösern ging schneller voran als das GUI anzupassen. Harte Linux-Anwender arbeiten schneller mit der Konsole als mit der Maus.

12 Aufbau von OpenFOAM Was ist in der OpenFOAM Distrubition? $HOME/OpenFOAM/ OpenFOAM-2.1.x/ src/ Quellcode applications/ Anwendungsprogramm mit Quellcode lib/ Shared-Object Bibliotheken wmake/ Compiler Skripte bin/ zusätzliche Skripte doc/ Dokumentation etc/ Daten und Konfigurationen tutorials/ Beispiele platforms/linux64gccdpopt/ Ausführbaren Dateien (Doppel Präzision, 64bit) ThirdParty-2.1.x openmpi-1.5.3/ ParaView / scootch_ / Open Source High Performance Computing Visualisierungssoftware Ein Tool für effiziente parallele Aufteilung

13 Navigation in OpenFOAM Navigation in der OpenFOAM Distrubition Umgebungsvariablen werden in der Linux-Umgebung gesetzt, um einfacher zu navigieren. Es werden Abkürzungen (alias) definiert, um Ordner schnell zu wechseln. $HOME/OpenFOAM/ OpenFOAM-2.1.x/ foam $WM_PROJECT_DIR src/ src $FOAM_SRC OpenFOAM/ finitevolumen foamsrc foamfv applications/ app $FOAM_APP solvers sol $FOAM_SOLVERS utilities util $FOAM_UTILITIES lib/ lib $FOAM_LIB tutorials/ tut $FOAM_TUTORIALS

14 OpenFOAM Benutzer Ordner OpenFOAM Benutzer-Ordner: In einer Standardinstallation befindet sich der Benutzer-Ordner innerhalb der OpenFOAM Installation. Der Ordnername setzt sich wie folgt zusammen: ${LOGNAME}-2.1.x Beispiel: $HOME/OpenFOAM/tian-2.1.x Alias: run $HOME/OpenFOAM/tian-2.1.x/run Die Simulationsfälle sollten aus dem run gestartet werden. Umgebungsvariable: $FOAM_RUN

15 Aufbau eines Simulationscases Die oberste Ebene bezeichnet den Namen des Simulationsordners System Ordner: Einstellungen und Definitionen für den Löser Constant Ordner: Stoffdaten und Netzinformationen Zeit Ordner: Anfangs- und Randbedingungen

16 Was ist der Unterschied? polymesh -Beschreibung: face basierte Beschreibung Quelle: Dokumentation OpenFOAM Jeder face ist ausgerichtet an Eigentümerzelle (P) und Nachbarzelle (N) Internal face ist maximal mit 2 Zellen verbunden. Ist ein face ein Begrenzungsfläche ist der Nachbarzellenindex = -1. constant/polymesh/ points/ Liste der Punkte als Vektoren faces/ Liste der Faces inkl. der Punkt-Indexe owner/ Liste der Eigentümerzellen, der Indes = Face index neighbour/ Liste der Nachbarzellen, der Index = Face Index boundary/ Liste der Patches

17 polymesh -Beispiel polymesh-beispiel faces : polymesh-beispiel points : // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // ( 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) 4( ) ) // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * // ( ( e-07) ( e-07) ( e-07) ( e-07) ( e-07) ( e-07) ( e-07) )

18 polymesh -Beispiel polymesh-beispiel boundary: // * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * *// 2 ( movingwall Boundary Patch Name { type wall; Art des Patches nfaces 20; Anzahl der Faces startface 760; Startposition der Face-Liste } fixedwalls { type wall; nfaces 60; startface 780; } )

19 Vernetzung in OpenFOAM Gitter in OpenFOAM OpenFOAM arbeitet in einem 3-dimensionalen Kartesischen Koordinatensystem Für 1- und 2- dimensional sowie achsensymmetrische Probleme werden in einem 3D Gitter simuliert durch Anwenden von spezifischen Randbedingungen Eine Zelle hat eine nicht eingeschränkte Anzahl von Seitenflächen (faces) Eine Seitenfläche kann beliebig viele Kanten haben Keine Einschränkung bezüglich der Ausrichtung von Seitenflächen (face alignment) Dies ermöglicht eine besondere Vernetzungsfreiheit und manipulation in OpenFOAM, bekannt als polymesh

20 Netzgeneration mit SnappyHexMesh snappyhexmesh benötigt ein Hintergundnetz Das Netz kann vorab schon verfeinert werden. snappyhexmeshdict: Zu finden im Unterordner /system eines Simulationsfalles. Das Dictionary beinhaltet Schlüsselwörter zum Steuern der Vernetzung. snappyhexmesh benötigt Oberflächengeometrie Geometrie kann ein STL Format sein. Die Vernetzung bringt auch eigene Standardgeometrien mit wie Kugel, Zylinder und Box. decomposepardict: Zu finden im Unterordner /constant eines Simulationfalles. Ist für die Parallelisierung zuständig. Wird benötigt auch wenn nur einer CPU gerechnet wird.

21 Hintergundnetz - blockmesh Quelle: Jukka-Pekka Keskinen, Ville Vuorinen & Martti Larmi, Aalto university blockmesh -Tool Einfache Geometrie können mit dem Tool blockmesh generiert werden. Für snappyhexmesh sollte das Hintergrundnetz das Gebiet voll umschlingen Das Breite/Höhe/Tiefe-Verhältnis sollte nahe bei 1 sein

22 SnappyHexMesh Cell-Spliting (castellatedmesh) Regionen außerhalb des Tylinders werden nach der Splittung entfernt. Snapping (snap) Das Netz wird an anhand der Oberflächengeometrie deformiert. Add Surface layers (addlayers) Es wird eine Grenzschicht generiert.

23 Beispiel: snappyhexmesh Zuluftdrallauslass Quelle: HVAC GUI Tool für OpenFOAM Abluftgitter

24 Bezugsquelle OpenFOAM-2.1.x? Offizielle Version OpenFOAM Version vom : OF-2.1.x Download: Verfügbar als: UBUNTU/DEBIAN Pakete (source code and binaries) SuSE/RPM Pakete (source code and binaries) Source Pakete GIT Repository (Tagesaktuell)

25 Bezugsquelle OpenFOAM-1.6-ext? Erweiterte Version OpenFOAM Version vom : OF-1.6.ext Download: git://openfoamextend.git.sourceforge.net/gitroot/openfoamextend/openfoam-extend Verfügbar als: Live Distrubitation(source code and binaries) GIT Repository (Tagesaktuell)

26 OpenFOAM-1.6-ext The Extend Portal Project: Kerninformationen über die Entwicklung von OpenFOAM (features, roadmap, objectives) Community: Treffpunkte, Veranstaltungen, Gruppierungen von Gleichgesinnten, Stammtische Network: Präsentationen von OpenFOAM Codes, Werbung von Universitäten und Firmen Quelle:

27 Anwendungsforen im Internet Get Help? Erfahrungsaustausch und/oder Hilfestellungen bei der Durchführung von Simulationen durch Foren im Internet möglich Gemeinsames Erarbeiten von Problemstellungen Internationales Forum Quelle: Deutschsprachiges Forum Quelle:

28 Wo bekommt man sonst noch Unterstützung? Von der Firma OpenCFD Dokumentation: Internetseite: Doxygen: Internetseite: Über Foren im Internet CAD.de: Internetseite: CFD Online: Internetseite: Extend Project: Internetseite: Sonstiges OpenFOAM Wiki s, Google Suchmaschine, vom Quellcode, usw.

29 Questions and Discussion Vielen Dank Noch fragen? Nein? Dann zur Praxis

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