OpenFOAM-v1706中重疊網格的網格操作流程
CFD在船舶與海洋工程中的發展一直受困于動網格技術。在實際工程問題中,船體上會有螺旋槳、舵等活動附體。這些附體對船的運動具有很大的影響。傳統的動網格方法很難同時處理船、槳、舵三者間的耦合運動。重疊網格方法可以有效的解決這類問題。重疊網格能夠有效解決船、槳、舵相互配合等復雜問題的計算。它可以打破物體與網格之間的約束關系,使船體在自由面上擁有六自由度運動的同時,讓各類附體相對于船體自由地轉動。
1 關于重疊網格的網格操作流程
以overInterDyMFoam 中的floatingBody Case為例簡單介紹重疊網格的網格操作流程。
算例所在目錄為tutorials/multiphase/overInterDyMFoam/floatingBody
因為overmesh的原理是使用兩套網格，并通過overset區域進行插值傳遞信息。因此算例目錄中有background 和 floatingBody 兩個文件夾。首先我們通過兩個文件夾下的Allrun.pre文件可以看到其在每個文件夾中的操作流程。簡單說floatingBody只進行了浮體網格的設置和邊界名稱的設置。通過`mergemeshes`命令可以將floatingBody 中生成的網格文件merge到background的網格中，剩下的操作都在background文件夾中進行。
Allrun 腳本實例和注釋如下，注釋中詳細解釋了每個命令的操作意義：
Allrun.pre IN floatingOject
#!/bin/sh
cd ${0%/*} || exit 1 # run from this directory
# Source tutorial run functions
. $WM_PROJECT_DIR/bin/tools/RunFunctions
# Set application name
application=`getApplication`
runApplication blockMesh #blockMesh定義了重疊區域
runApplication topoSet #topoSet定義了浮體的形狀和位置的Cell 重疊域為除去浮體內部的所有Cell
runApplication subsetMesh -overwrite c0 -patch floatingObject #對c0域添加邊界名字為floatingOject
# ----------------------------------------------------------------- end-of-file
Allrun.pre IN background
#!/bin/sh
cd ${0%/*} || exit 1 # Run from this directory
. $WM_PROJECT_DIR/bin/tools/RunFunctions
# Create background mesh
runApplication blockMesh
# Add the cylinder mesh
runApplication mergeMeshes . ../floatingBody –overwrite #關節的一步是將floatingBody的網格融合進了背景網格中。此處需要注意一個問題，overset mesh 和 background mesh 的坐標范圍一定要統一，這樣才可以重疊在一起。因此兩套網格的坐標點設置統一很重要。
# Select cellSets for the different zones
runApplication topoSet #下面詳述：對計算域Cell進行了定義,便于更新域和setFields.
restore0Dir
# Use cellSets to write zoneID
runApplication setFields #設置初始場值，以及用（0，1）標記floatingbody的區域zoneID.
runApplication decomposePar
#------------------------------------------------------------------------------
2 TopoSetDict 的介紹和使用
上述 background 中的 Allrun.pre 文件中的操作命令可以看到，融合網格后，需要設置zoneID來標記不同的網格區域,此處需要首先用toposet 工具來標記網格區域。
控制字典如下：
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
object topoSetDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
actions
(
//首先標記 C0網格區域為整個背景網格，采用 insidepoints 的方式來進行設置。會自動尋找到整個邊界區域，然后標記整個網格區域為c0
{
name c0;
type cellSet;
action new;
source regionToCell;
sourceInfo
{
insidePoints ((12.0 0.05 1.0));//此處該點一定要設置在扣出浮體的內部，否則會出現重疊網格和背景網格之間的不耦合現象。
}
}
//然后通過c0區域來標記c1區域
{
name c1;
type cellSet;
action new;
source cellToCell;
sourceInfo
{
set c0;
}
}
//最后通過反選實現 標記除去c0區域外的網格區域為c1
{
name c1;
type cellSet;
action invert;
}
);
// ************************************************************************* //
3 setField 對流體域進行定義
上述的在background中的topoSetDict 已經設置了 C0（背景網格區域） 和C1（重疊網格區域）。 然后，通過setField進行alphawater的設置和zoneID的設置。alphawater的設置同傳統算例，在此不詳述。這里主要講一下關于zoneID的初始場值的設置（其中c0 zone 被定義為0，C1 zone 設置為1）。
{
version 2.0;
format ascii;
class dictionary;
object setFieldsDict;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
defaultFieldValues
(
volScalarFieldValue alpha.water 0
volScalarFieldValue zoneID 123
);
regions
(
boxToCell
{
box ( -100 -100 -100 ) ( 100 100 1.0 );
fieldValues ( volScalarFieldValue alpha.water 1 );
}
/* boxToCell
{
box ( 0.7 0.8 -100 ) ( 100 100 0.75 );
fieldValues ( volScalarFieldValue alpha.water 1 );
}*/
cellToCell
{
set c0;
fieldValues
(
volScalarFieldValue zoneID 0
);
}
cellToCell
{
set c1;
fieldValues
(
volScalarFieldValue zoneID 1
);
}
);
// ************************************************************************* //
上述設置結果如圖所示分別標記的 c0區域和c1區域
重疊網格中設置了兩個不同區域的網格，而兩套網格之間需要通過 `overset`邊界來進行定義插值單元網格的。插值原理見沈志榮《船槳舵相互作用的重疊網格技術數值方法研究》。因此下面介紹一下重疊網格算例中的幾個重要邊界。
重疊網格示意圖
圖中的overset Boundary 便是floatingbody中定義的sides，如下邊界條件文件所示，其邊界類型為 `overset`。圖中的wall boundaries 則是floatingObject 邊界。
sides
{
type overset;
inGroups 1(overset);
nFaces 300;
startFace 227915;
}
此邊界是定義在 floatingBody 中，最后merge到 background 網格上，是進行重疊域標記和信息傳遞的重要邊界條件，具體實現待補充。
oversetPatch
{
type overset;
inGroups 1(overset);
nFaces 0;
startFace 116951;
}
atmosphere
{
type patch;
inGroups 1(patch);
nFaces 713;
startFace 116951;
}
一個特殊的邊界，做什么用的暫時不知道，邊界面設置為0個。startFace 為整個邊界編號中的起始編號。如上面所示參照atmosphere邊界。如果沒有此邊界，log 文件中會出現 warning 大概是 oversetPatch 不是計算域中的第一個起始編號。
最后關于topoSet, setFields, refinemesh,等網格和前處理工具，可在代碼中application/utilities/中看到詳細的Dict設置指導以及實現的源代碼。
來源：多相流在線
作者： 毛艷軍
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