工程计算开源软件OpenFOAM

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《高性能计算发展与应用》　　　　　　２００８年第二期　　　　总第二十三期

工程计算开源软件ＯｐｅｎＦＯＡＭ

陈小龙　　　　上海超级计算中心　　上海　　２０１２０３　　ｘｌｃｈｅｎ＠ｓｓｃ．ｎｅｔ．ｃｎ

摘要：

ＯｐｅｎＦＯＡＭ是一款开源的连续介质计算力学软件包，包括计算流体力学。本文针对ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的发展历程、程序功能和使用方法进行初步介绍，并描述该软件在上海超级计算中心曙光４０００Ａ上的移植与编译过程，同时给出了软件的基本使用方式和操作过程。

１．　软件背景介绍

ＯｐｅｎＦＯＡＭ的前身为ＦＯＡＭ（Ｆｉｅｌｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ的简写），后来作为开源代码公布到网上，任何人都可以自由下载和传播她的源代码。其作者之一Ｈｒｖｏｊｅ　Ｊａｓａｋ为克罗地亚（南斯拉夫成员国）人，１９９３年在读ＰｈＤ期间开始写ＦＯＡＭ。在２００４年，ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的创始人与主要开发者Ｈｅｎｒｙ　Ｗｅｌｌｅｒ将该软件开源化，与此同时成立了ＯｐｅｎＣＦＤ公司，专门进行ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的研发、技术支持和官方培训。

其官方网站为ｗｗｗ．ｏｐｅｎｆｏａｍ．ｏｒｇ　。

ＯｐｅｎＦＯＡＭ（Ｏｐｅｎ　Ｆｉｅｌｄ　Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ的简称）软件可以模拟复杂流体流动、化学反应、湍流流动、换热分析等现象，还可以进行结构动力学分析、电磁场分析以及金融评估等。该软件由ＯｐｅｎＣＦＤ公司开发维护，在ＧＮＵ　Ｇｅｎｅｒａｌ　Ｐｕｂｌｉｃ　Ｌｉｃｅｎｓｅ许可下可以自由下载和发布。

ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的核心技术为一系列的高效Ｃ＋＋模块数据包，利用这些数据包可以构造出一系列有效的求解器、辅助工具和库文件，用来模拟特定的工程机械问题和进行前后处理，包括数据处理、图形显示、网格处理、物理模型和求解器接口等。

ＯｐｅｎＦＯＡＭ提供了许多预编译好的求解器、辅助工具和模型库等，可以模拟一系列复杂问题。同时

它也是一款开源软件，用户可以扩展软件本身的功能和处理能力。该软件开源化不仅仅在于其程序代码对外公开，而且其软件程序结构和软件架构设计也开源化。因此用户可以最大程度地拓展程序以实现用户自定义功能。

ＯｐｅｎＦＯＡＭ是一个完全由Ｃ＋＋编写的面向对象的ＣＦＤ类库，采用类似于我们日常习惯的方法在软件中描述偏微分方程，采用有限体积法对偏微分方程进行求解。软件支持三维任意多面体网格（比如ＣＤ－ａｄａｐｃｏ公司推出的ＣＣＭ＋生成的多面体网格），因而可以处理复杂的几何外形，支持区域分解并行计算等。

２．　软件架构

ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件首先是一个Ｃ＋＋库文件包，它包含许多可执行文件（也称为应用程序包）。从文件组织结构来说这些应用程序大体可以分为两大类：求解器和辅助工具。求解器用来求解连续介质力学中的某个特定问题，而辅助工具主要用来进行数据操作、辅助求解器完成计算任务。

从程序实现功能的角度来看，ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件同众多商业ＣＦＤ软件一样，包括核心求解器、前处理和后处理三大模块。具体组成如下：

图１　　ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件组织结构

而从程序开发的角度来看，ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件主要基于以下几个主要的类及其相互之间的作用。

１、Ｐｒｉｍｉｔｉｖｅ与Ｃｏｎｔａｉｎｅｒ－－－－基础类及容器类２、描述空间及时间的类３、张量的数学运算类

４、Ｆｉｅｌｄ、Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ　Ｓｅｔ、Ｂｏｕｎｄａｒｙ　Ｃｏｎｄｉｔｏｎ和Ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ　Ｆｉｅｌｄ－－－场、量纲、边界条件及几何场

５、Ｍｅｓｈ－－－网格类６、积分、微分及离散类７、矩阵类

８、描述ＰＤＥ（偏微分方程）的类９、物理模型类

在ＯｐｅｎＦＯＡＭ中代码的组织，及类的区分和实现都是基于以上这些部分分别编写的

３．　软件功能

ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件可以模拟复杂流体流动、化学反应、湍流流动、换热分析等现象，还可以进行结构动力学分析、电磁场分析。具体功能分述如下：

求解方面　　用户可以进行基本的ＣＦＤ分析，可压与不可压缩流动分析、多相流分析、燃烧分析、热分析以及电磁场和结构动力学耦合分析。

前处理方面　　软件拥有自己的ＪＡＶＡ／Ｃ＋＋图形界面——ｃａｓｅ管理器ＦｏａｍＸ，可以对ｃａｓｅ进行管理，对模型数据进行操作、设置边界条件和求解设置等内容，此外还有其他一些直接对数据进行操作的辅助

工具，如ｓｅｔＦｉｅｌｄ、ＭａｐＦｉｅｌｄ等工具。

图２　　ＦｏａｍＸ前处理界面

后处理方面　　软件自带有ｐａｒａＦｏａｍ模块，可以对ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的数据直接进行读取。ｐａｒａＦｏａｍ基于开源可视化软件ＰａｒａＶｉｅｗ开发，可以进行一些常用的后处理操作，如网格显示、云图显示、等值面显示、曲线绘制等等。此外，软件包含有与第三方软件的接口工具，可以通过专业的后处理软件进行数据处理，如ｆｏａｍＴｏＥｎｓｉｇｈｔ、ｆｏａｍＴｏＦｉｅｌｄｖｉｅｗ、ｆｏａｍＴｏＧＭＶ、ｓｍａｐＴｏＦｏａｍ等。Ｅｎｓｉｇｈｔ软件也可以直

接读取ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的计算结果。

工程计算应用软件系列介绍

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图３　　ｐａｒａＦｏａｍ后处理界面

网格方面　　　软件支持各种各样的多面体非结构化网格，包括四面体、立面体、棱柱网格、Ｐｏｌｅｈｅｄｒａｌ等。网格生成的时候即可以在自带的ＦｏａｍＸ前处理器里进行简单操作（ｂｌｏｃｋＭｅｓｈ），也可以接受其他网格处理软件生成的网格，包含有多种网格转换工具如ｃｆｘＴｏＦｏａｍ、ｆｌｕｅｎｔＭｅｓｈＴｏＦｌｕｅｎｔ、ｍｓｈＴｏＦｏａｍ、ａｎｓｙｓＴｏＦｏａｍ等。对于网格模型数据，可以进行网格编辑操作和网格质量检查，如网格移动、旋转、细化、重编号、网格分割、动网格等。

物理模型　　软件包含有先进的物理模型，用来模拟可压与不可压缩流体、牛顿与非牛顿流体。湍流模型方面既有常规的层流、Ｓ－Ａ模型，还包括各种各样的ｋ－ｅ模型，还包括有丰富的大涡模拟模拟，如各种Ｓｍａｇｏｒｉｎｓｋｙ模型、ｓｃａｌｅ　ｓｉｍｉｌａｒｉｔｙ模型、ｓｐｅｃｔｒａｌ　

ｅｄｄｙ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ模型等等。另外ＯｐｅｎＦＯＡＭ还具有以下

功能和特点：

燃烧模拟

拉格朗日粒子追踪及射流滑移网格，网格层消等

各种各样的工具箱，包括各种ＯＤＥ求解器、ＣｈｅｍＫＩＮ接口等

自动生成动网格与网格转换工具，可以转换多种网格形式为ＦＯＡＭ可以处理的网格形式

支持多种网格接口

４．　软件移植与安装

４．１　软件推荐安装软硬件要求

硬件要求：至少１２８Ｍ内存，磁盘空间大约需要６００Ｍ，在安装过程中需要使用大约１－２Ｇ硬盘空间作

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临时存储空间

操作系统：ＳｕＳＥ１０．１及以上通讯库：ＭＰＩ

编译器：ＧＣＣ４．１．２及以上，或Ｉｎｔｅｌ　Ｃ＋＋　９．１４．２　上海超级计算中心曙光４０００Ａ软硬件环境

硬件环境：曙光４０００Ａ机群系统，单节点四路ＡＭＤ　Ｏｐｔｅｒｏｎ　８５０，８Ｇ　ＲＡＭ

操作系统：Ｔｕｒｂｏ　Ｌｉｎｕｘ８．０编译器：ＧＣＣ３．２．２；ＰＧＩ６．０．８通讯库：ＭＰＩＣＨ１．２．６＋ＧＭ２．１．２４．３　软件的安装编译

ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件的安装编译都是通过执行各个目录下的Ａｌｌｗｍａｋｅ文件来完成的，因此在此之前必须设置好相应的编译环境和环境变量

１）　安装编译ｂｉｎｕｔｉｌｓ工具包２）　安装编译ＧＣＣ４．１．２３）　安装Ｊａｖａ　ＳＤＫ包４）　安装设置ＯｐｅｎＦＯＡＭ

编译安装目录下的．ｂａｓｈｒｃ文件，加入必要的编译器位置环境变量

ｅｘｐｏｒｔ　ＷＭ＿ＣＯＭＰＩＬＥＲ＿ＤＩＲ＝$ＷＭ＿ＰＲＯＪＥＣＴ＿ＩＮＳＴ＿ＤＩＲ／$ＷＭ＿ＡＲＣＨ／ｇｃｃ－４．１．２$ＷＭ＿ＣＯＭＰＩＬＥＲ＿ＡＲＣＨ

修改．ＯｐｅｎＦＯＡＭ目录下ｂａｓｈｒｃ文件，设置ＯｐｅｎＦＯＡＭ的编译环境变量

ｅｘｐｏｒｔ　ＷＭ＿ＰＲＥＣＩＳＩＯＮ＿ＯＰＴＩＯＮ＝ＤＰｅｘｐｏｒｔ　ＷＭ＿ＣＯＭＰＩＬＥ＿ＯＰＴＩＯＮ＝Ｏｐｔ初始化ＯｐｅｎＦＯＡＭ环境变量

．　$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／．ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／ｂａｓｈｒｃ

５）　安装编译ｃｍａｋｅ下载编译并安装ｃｍａｋｅ２．４．６

修改$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／．ｂａｓｈｒｃ文件中ｃｍａｋｅ的环境变量

ｅｘｐｏｒｔ　ＣＭＡＫＥ＝ｃｍａｋｅ

ｅｘｐｏｒｔ　ＣＭＡＫＥ＿ＡＲＣＨ＿ＰＡＴＨ＝$ＷＭ＿ＰＲＯＪＥＣＴ＿ＩＮＳＴ＿ＤＩＲ／$ＷＭ＿ＡＲＣＨ／$ＣＭＡＫＥ

ＡｄｄＰａｔｈ　$ＣＭＡＫＥ＿ＡＲＣＨ＿ＰＡＴＨ／ｂｉｎ６）　安装编译ＰａｒａＶｉｅｗ下载编译并安装ｐａｒａｖｉｅｗ－２．４．４

修改$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／．ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／ａｐｐｓ／ｐａｒａｖｉｅｗ／ｂａｓｈｒｃ文件中ｃｍａｋｅ和ｐａｒａｖｉｅｗ版本

ｅｘｐｏｒｔ　ＣＭＡＫＥ＿ＨＯＭＥ＝$ＷＭ＿ＰＲＯＪＥＣＴ＿ＩＮＳＴ＿ＤＩＲ／$ＷＭ＿ＡＲＣＨ／ｃｍａｋｅ

ｉｆ　［　－ｒ　$ＣＭＡＫＥ＿ＨＯＭＥ　］；　ｔｈｅｎ

　　　　　ｅｘｐｏｒｔ　ＰＡＴＨ＝$ＣＭＡＫＥ＿ＨＯＭＥ／ｂｉｎ：$ＰＡＴＨｆｉ

ｅｘｐｏｒｔ　ＰａｒａＶｉｅｗ＿ＶＥＲＳＩＯＮ＝２．４．４增加Ｔｃｌ／ＴＫ补丁重编译ＰａｒａＶｉｅｗ

修改ｐａｒａｖｉｅｗ－２．４．４／Ｕｔｉｌｉｔｉｅｓ／ＴｃｌＴｋ／ｔｃｌ８．４．５／ｕｎｉｘ／ｔｃｌ．ｍ４文件７７６行与２１０７行

ｉｆ　ｔｅｓｔ　－ｒ　／ｅｔｃ／．ｒｅｌｉｄ　－ａ　＂Ｘ｀ｕｎａｍｅ　－ｎ｀＂　＝　＂Ｘ｀ｕｎａｍｅ　－ｓ｀＂　；　ｔｈｅｎ

　ｓｙｓｔｅｍ＝ＭＰ－ＲＡＳ－｀ａｗｋ　‘｛ｐｒｉｎｔ　$３｝’　／ｅｔｃ／．ｒｅｌｉｄ｀

ｆｉ

修改$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ｌｉｎｕｘ６４／ｐａｒａｖｉｅｗ－２．４．４／ＣＭａｋｅＬｉｓｔｓ．ｔｘｔ文件

＃ＳＥＴ（ＰＶ＿ＩＮＳＴＡＬＬ＿ＩＮＣＬＵＤＥ＿ＤＩＲ　$｛ＰＶ＿

ＩＮＳＴＡＬＬ＿ＲＯＯＴ｝／ｉｎｃｌｕｄｅ／ｐａｒａｖｉｅｗ－$｛ＰＡＲＡＶＩＥＷ＿

ＶＥＲＳＩＯＮ｝）

ＳＥＴ（ＰＶ＿ＩＮＳＴＡＬＬ＿ＩＮＣＬＵＤＥ＿ＤＩＲ　$｛ＰＶ＿ＩＮＳＴＡＬＬ＿ＲＯＯＴ｝／ｉｎｃｌｕｄｅ）

７）　编译安装ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件包

在$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／．ｂａｓｈｒｃ文件中增加＿ＢＩＮ＿ＦＯＲ＿ＤＥＭＡＮＧＬＥ＿Ｈ环境变量；确定ＪＡＶＡ等环境变量设置正确；

ｃｄ　$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／．／Ａｌｌｗｍａｋｅ

编译完成后将环境变量增加到用户配置中ｅｘｐｏｒｔ　ＷＭ＿６４＝ｏｎ

．／ｈｏｍｅ／ｕｓｅｒ／ｘｌｃｈｅｎ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／．ＯｐｅｎＦＯＡＭ－１．４／ｂａｓｈｒｃ

ｅｘｐｏｒｔ　ＩＮＣＬＵＤＥ＝$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ｌｉｎｕｘ６４／ｂｉｎｕｔｉｌｓ－２．１６．１／ｉｎｃｌｕｄｅ：$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ｌｉｎｕｘ６４／ｔｅｒｍｃａｐ／ｉｎｃｌｕｄｅ：$ＩＮＣＬＵＤＥ

ｅｘｐｏｒｔ　ＰＡＴＨ＝$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ｌｉｎｕｘ６４／ｂｉｎｕｔｉｌｓ／ｂｉｎ：$ＰＡＴＨ

ｅｘｐｏｒｔ　ＰＡＴＨ＝$ＨＯＭＥ／ＯｐｅｎＦＯＡＭ／ｌｉｎｕｘ６４／ｇｃｃ４．１．２／ｂｉｎ：$ＰＡＴＨ

５．　软件使用方法

５．１　前后处理使用

用户设置好环境变量后，在命令行中直接敲入ＦｏａｍＸ命令即可启动ｃａｓｅ管理器ＦｏａｍＸ，在其中用户可以设置自己的模型数据和边界条件，进行简单的网格划分。用户也可以直接进行文本操作编辑输入文件。

待计算结束后用户可以输入ｐａｒａＦｏａｍ　

＜ｒｏｏｔ＞　

＜ｃａｓｅ＞命令来查看计算结果，＜ｒｏｏｔ＞为ｃａｓｅ所在目录

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名，＜ｃａｓｅ＞为运行得ｃａｓｅ名字。用户也可以通过数据转换到第三方软件如ｅｎｓｉｇｈｔ＼ｆｌｕｅｎｔ中进行结果后处理。５．２　计算求解

用户可以在ＦｏａｍＸ中直接点击

进行计算，也可以通

过命令行的方式提交计算任务。具体参数格式为＜ｅｘｅｃｕｔａｂｌｅｓ　ｎａｍｅ＞　＜ｒｏｏｔ＞　＜ｃａｓｅ＞　＜ｏｔｈｅｒ　ａｒｇｓ＞。５．３并行求解

ＯｐｅｎＦＯＡＭ１．４软件可以采用ＬＡＭ－ＭＰＩ的并行方式，也可以采用ＭＰＩＣＨ和ＯＰＥＮＭＰＩ进行并行计算。以ｌａｍｍｐｉ方式为例：

＃！／ｂｉｎ／ｓｈ

ｃａｔ　＞　ｍａｃｈｉｎｅｆｉｌｅ　＜＜　＿ＥＯＦ＿ＡａａＢｂｂ＿ＥＯＦ＿

ｌａｍｂｏｏｔ　－ｖ　ｍａｃｈｉｎｅｆｉｌｅ

ｍｐｉｒｕｎ　－ｎｐ　＜ｎＰｒｏｃｓ＞　＜ｆｏａｍＥｘｅｃ＞　＜ｒｏｏｔ＞　＜ｃａｓｅ＞　＜ｏｔｈｅｒＡｒｇｓ＞　－ｐａｒａｌｌｅｌ　＜　／ｄｅｖ／ｎｕｌｌ　＞＆　ｌｏｇ　＆

ｌａｍｈａｌｔ　－ｄ＃＃ｅｎｄ致谢

非常感谢上海超级计算中心王涛博士在程序编

译方面给予我热情地帮助。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6ype.html