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"potentialFoam" + "applyBoundaryLayer"を使った初期条件の作成

はじめに

数値解析においては、初期条件、境界条件を適切に設定することが重要です。OpenFOAMでは、特にこの条件が計算安定性に及ぼす影響は大きいです。
OpenFOAMでは初期条件を作成する方法として、potentialFoam(完全流体流れ)を使用する方法が主流ですが、デメリットとして、(当然ではありますが)境界層がない、流束を過大評価する、があります。

本記事では、OpenFOAM ver.8環境下でpotentialFoam + applyBoundaryLayerを組み合わせた初期条件の設定方法をまとめます。

Step 1: potentialFoam

  • Tutorial pimpleFoam/pitzDailyを作業ディレクトリにコピーします。
  • このままでは potentialFoam が実行できないのでfvSolutionを編集します。
system/fvSolution
solvers
{
    Phi 
    {   
        solver          GAMG;
        smoother        DIC;

        tolerance       1e-06;
        relTol          0.01;
    }  
}
potentialFlow
{
    nNonOrthogonalCorrectors 2;
}
  • Step 2: potentialFoamを実行

下図のような境界層が無い流れ場が0ディレクトリに得られます。

Screen Shot 2021-01-06 at 23.50.28.png

applyBoundaryLayer

applyBoundaryLayerは速度場データを元に壁面境界を計算するソルバーになります。
以下はソースの抜粋になります。

applyBoundaryLayer.C
     // Modify velocity by applying a 1/7th power law boundary-layer
     // u/U0 = (y/ybl)^(1/7)
     // assumes U0 is the same as the current cell velocity

     Info<< "Setting boundary layer velocity" << nl << endl;
     scalar yblv = ybl.value();
     forAll(U, celli)
     {
         if (y[celli] <= yblv)
         {
             mask[celli] = 1;
             U[celli] *= ::pow(y[celli]/yblv, (1.0/7.0));
         }
     }
     mask.correctBoundaryConditions();

     Info<< "Writing U\n" << endl;
     U.write();

ここに記載している通り境界層を「$1/7$乗則」で計算します。

使用方法ですが、以下のようにオプションをつけて実行するのみです。

applyBoundaryLayer <option>
  • options
    • -Cbl scalar
    • -ybl scalar

前者は壁面からの平均距離(第1層のメッシュ厚さ)にオプションで指定した値を乗じたものを境界層厚さとします。後者は境界層厚さをそのまま指定することになります。

その他、詳細はここを参考にしていただければと思います。

あとは、fvSchemesにwallDistの設定を追記すれば良いです。

system/fvSchemes
wallDist
{
    method meshWave;

    // Optional entry enabling the calculation
    // of the normal-to-wall field
    nRequired false;
}

Screen Shot 2021-01-06 at 23.48.16.png

上図がapplyBoundaryLayerによって得られた速度場の初期条件になります。先のpotentialFoamの結果と比べて、よりリーズナブルな速度場(境界層があり、かつ、速度の過大評価が是正されている)が得られていることがわかります。

なお、対象が乱流のcaseであれば、乱流パラメーターも計算してくれます。

さいごに

解析が発散するような場合は、離散化や線形ソルバーの見直しも必要ですが、このような初期条件の見直しも有効だと思います。

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