OpenFOAM中的多孔介质

OpenFOAM中设置多孔介质

通过在流体中的特定区域添加阻力源项，模拟流体流过多孔介质后的动量损失
其源项由DarcyForchheimer定律得到
$$S_i=-\left(\mu d+\frac{\rho |U|}{2}f\right)U_i$$式中$i$取$x,y,z$方向,第一项类似于附加粘性，第二项类似于气动阻力
OpenFOAM v9中可以通过添加system/topoSetDict和constant/fvModels这两个字典实现多孔介质区域的设置

system/topoSetDict文件

使用圆柱来划分一个区域，命名该区域的名称为porosz

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
  =========                 |
  \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox
   \\    /   O peration     | Website:  https://openfoam.org
    \\  /    A nd           | Version:  9
     \\/     M anipulation  |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      topoSetDict;
}

// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //

actions
(
    {
        name    poros;          // 区域命名为poros
        type    cellSet;
        action  new;
        source  cylinderToCell; // 圆柱区域
        sourceInfo
        {
          p1       (0.438 0.048 0); // 圆柱体上表面的中心点
          p2       (0.438 0 0);   	// 圆柱体下表面的中心点
          radius   0.017;         	// 圆柱半径
        }
    }

   {
        name    porosz;         // 区域命名
        type    cellZoneSet;    
        action  new;
        source  setToCellZone;  // 将圆柱区域转换为网格区域
        sourceInfo
        {
            set poros;          // 给定source信息
        }
    }
);

// ************************************************************************* //

constant/fvModels文件

fvModels类是v9版本新增加的内容，用于替换原本的fvOptions类
fvModels文件用于指定porosz区域为explicitPorositySource类型，即多孔介质

/*--------------------------------*- C++ -*----------------------------------*\
  =========                 |
  \\      /  F ield         | OpenFOAM: The Open Source CFD Toolbox
   \\    /   O peration     | Website:  https://openfoam.org
    \\  /    A nd           | Version:  9
     \\/     M anipulation  |
\*---------------------------------------------------------------------------*/
FoamFile
{
    format ascii;
    class dictionary;
    location "constant";
    object fvModels;
}
// * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * * //
poros
{
    type            explicitPorositySource;   // 类型

    explicitPorositySourceCoeffs              
    {
        selectionMode   cellZone;             
        cellZone        porosz;               // 已经产生的网格区域

        type            DarcyForchheimer;     // 达西定律

        D 1e15;                              // 非常大的粘性阻力

        d   ($D $D $D);                       // 各向同性
        f   (0 0 0);

        coordinateSystem                      // 旋转坐标系的设定
        {
            type    cartesian;                // 笛卡尔坐标系
            origin  (0 0 0);
            coordinateRotation            
            {
                type    axesRotation;         // 此算例设定无旋转，e1, e2, e3分别为x, y, z轴
                e1  (1 0 0);
                e2  (0 1 0);
                e3  (0 0 1);
            }
        }
    }
}

案例结果

找到湍流VOF两项流的溃坝案例(/opt/openfoam9/tutorials/multiphase/interFoam/RAS/damBreak)，以该案例为基础，使用topoSet命令在指定区域加入多孔介质（下图中紫色区域为多孔介质）

然后使用system/setFieldsDict文件和setFields命令设置初始水的位置
为了使用多核计算，使用decomposePar -force将网格分配给不同处理器，使用mpirun -np 8 interFoam -parallel | tee log命令开始计算，计算完成后使用reconstructPar命令将不同处理的结果汇总到项目根目录，最后使用paraFoam命令打开paraView实现后处理。

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计算结果如下
可以看出由于多孔介质的阻力非常之大，以致于水是不能进入其中的。多孔介质区始终保留了最初储存的空气。所以使用多孔介质是可以模拟固体的。

代码部分参考了：https://blog.csdn.net/thgink9/article/details/121802760