OpenFOAM-v2006重叠网格挖洞问题研究以及overset代码解析（一）整体函数框架结构

前言

使用OpenFOAM-v2006版本的重叠网格时，其挖洞只能挖出壁面以及壁面附近区域的网格，而离重叠区边缘（fringe）还有一定距离，如下图所示：

经研究，其和挖洞策略有关系，修改需要动源代码，十分费工夫。foam-extend-4.1版本有比较好的重叠网格功能，挖洞也很完善，能挖到边缘，是比较标准的，但extend比较大杂烩，也没有其他一些我需要的功能，所以只好作罢。我只好以extend版本为参考，修改2006版本的挖洞相关的代码来修正这一问题。这个过程需要深入地读取源码，特此记录。

OpenFOAM-v2006重叠网格原理简述

这里以overPimpleDyMFoam为例。我们知道，OpenFOAM是基于有限体积方法的，计算时每一个体元（cell）对应一组NS方程。通过simple或piso算法，对隐式的方程组进行迭代使其收敛。重叠网格的实现原理是在重叠的区域对体元的流场量乘上一个系数，使其传递两套甚至更多套网格之间的信息。具体可看overPimpleDyMFoam.C, pEqn.H, UEqn.H等文件。这一系数与重叠网格的插值格式有关，OpenFOAM的2006版本提供了四种插值格式：cellVolumeWeight，inverseDistance，leastSquares和trackingInverseDistance。不同插值格式可能有不一样的结果，这里不予深究，我用的是inverseDistance格式。

OpenFOAM将重叠网格的功能整合到动网格的一个库里（dynamicOversetFvMesh），通过类进行信息和指令的传递，所以其他的计算步骤等都相对比较独立。当需要网格运动时，mesh.update()就会被激活，这个函数在大类里是虚函数，只有到实际用上它的类那里才会被具体定义。找到文件inverseDistanceCellCellStencil.C，在最后有update()的定义：

这一函数有600多行，囊括了重叠网格的所有步骤，总的来说就是挖洞以及网格装配。挖洞就是前言所说，把不需要进行计算的网格进行识别，并在计算时不予考虑。一般来说，两层网格之间的重叠区域不宜太大，仅在边缘有两到三层即可，因为这样才能体现出重叠网格相比于浸入边界的优势：运动网格，满足大变形运动，并且在近壁面也能保持比较好的网格质量（y+，模拟湍流）。不知为何OpenFOAM连最基本的这一功能都无法保证！只好自己改代码了。网格装配就是在挖洞之后，把需要进行信息传递的网格之间用一定的格式连接起来。这里有两个角色：donor贡献者和acceptor接受者，通过一定的插值格式来完成信息的传递。网格如何装配会影响最后的精度以及计算效果，但不是本次主要的研究对象，不细说了。

在第1932行找到Mark holes的步骤段。前面两百多行似乎是一些准备工作，如定义一些临时的数组，定义搜索范围等。我们看到这一段，里面有markPatchesAsHoles的函数，字面意思就是把patch标记为hole，就是挖洞对应的函数。

这一函数在第314行开始，在333行开始，进行挖洞的步骤，可以看到有allCellTypes[celli]=HOLE的指令，在这一行的上方有一个if判据，里面是overlaps的函数。从这不难看出，overlaps将是决定改体元在此刻会不会被当成洞来挖掉的函数，也就是本次研究的主要目标。

 

 下图是overlaps的代码段，可以看到，当vals[i1]==patchCellType::PATCH为真时，返回true，回到markPatchesAsHole上就会把当前的体元标记成hole。

 为了深入理解这一判据的含义，以便进行修改完善，这里提出三个问题：

1. PATCH指的是哪一类patch？

2. vals是什么？

3. il是什么？它遍历的对象是什么？

接下来的博文，会逐步理解这些问题。