OpenFOAM

OpenFOAM (з англ. "Open source Field Operation And Manipulation") - це інструмент мовою C++ для розробки чисельних методів та розв'язування проблем механіки суцільного середовища, включаючи обчислювальну гідродинаміку. Код надається вільно і відкрито за умов дотримання GNU General Public License. Назву OpenFOAM було зареєстровано компанією OpenCFD Ltd^[8] в 2007 року. Ліцензіата змінено на OpenFOAM Foundation Ltd у 2011 році.

OpenFOAM

OpenFOAM запускається в емуляторі термінала
Тип	Обчислювальна гідродинаміка, Програмне забезпечення моделювання
Автори	Henry Weller
Розробники	CFD Direct[1] / OpenCFD[2]
Перший випуск	10 грудня 2004; 20 років тому (2004-12-10)[3]
Стабільний випуск	5.0[4] і v1712 [5] (26 липня 2017[6] і 31 грудня 2017[7])
Операційна система	Unix/Linux
Мова програмування	C++
Ліцензія	GPLv3
Репозиторій	https://github.com/OpenFOAM/OpenFOAM-dev, https://develop.openfoam.com/Development/openfoam
Вебсайт	openfoam.org
Медіафайли у Вікісховищі

Історія

OpenFOAM (початкова назва — FOAM) було створено Генрі Веллером наприкінці 1980-х в Імперському коледжі Лондона, щоб розробити більш потужну та гнучку загальну імітаційну платформу, ніж Фортран. Це призвело до вибору C++ як мови програмування через її модульність та об'єктно-орієнтовані функції. Хруве Ясак працював у Імперському коледжі як доктор філософських наук з 1993 до 1996 року. У 2000 році Ясак об'єднав свої зусилля з Веллером у спробі комерціалізації FOAM^[9] через компанію Nabla Ltd.^[10] У 2004 році компанія Nabla Ltd припинила роботу, і Генрі Веллер, Кріс Грінсілдс та Маттійс Янссенс заснували OpenCFD Ltd для розробки та випуску OpenFOAM.^[11] У той же час, Ясак заснував консалтингову компанію Wikki Ltd ^[12] і підтримував розгалуження openfoam-extend, пізніше  перейменовану на foam-extend.

8 серпня 2011 року OpenCFD було придбано Silicon Graphics International (SGI).^[13] У той же час авторське право на OpenFOAM було передано OpenFOAM Foundation, новоствореній неприбутковій організації, яка керує OpenFOAM і розповсюджує її широкій публіці. 12 вересня 2012 року, ESI Group оголосила про придбання OpenCFD Ltd від SGI.^[14] У 2014 Веллер і Гріншилдс покинули ESI Group і продовжують розробку та управління OpenFOAM, від імені OpenFOAM Foundation, на CFD Direct.^[15] CFD Direct розробляє OpenFOAM версію з ідентифікатором програмного забезпечення (5.0), тоді як ESI group зараз самостійно розробляє версію з ідентифікатором програмного забезпечення (v1712).

Відмінні особливості

Синтаксис

Одним з відмінних рис OpenFOAM є його синтаксис для тензорних операцій та рівнянь в частинних похідних. Наприклад, рівняння^[16]

${\displaystyle {\frac {\partial \rho \mathbf {U} }{\partial t}}+\nabla \cdot \phi \mathbf {U} -\nabla \cdot \mu \nabla \mathbf {U} =-\nabla p}$

представляється кодом

solve
(
     fvm::ddt(rho,U)
   + fvm::div(phi,U)
   - fvm::laplacian(mu,U)
 ==
   - fvc::grad(p)
);

Цей синтаксис, досягнутий завдяки використанню об'єктно-орієнтованого програмування та перевантаженню оператора, дозволяє користувачам створювати власні розв'язувачі з відносною легкістю. Тим не менш, налаштування коду стає більш складним із збільшенням глибини в бібліотеці OpenFOAM через відсутність документації та значне використання шаблонного метапрограмування.

Розширюваність

Користувачі можуть створювати власні об'єкти, такі як граничні умови або моделі турбулентності, які працюватимуть з існуючими розв'язувачами без необхідності модифікувати або перекомпілювати існуючий вихідний код. OpenFOAM виконує це шляхом об'єднання віртуальних конструкторів з використанням спрощених базових класів як інтерфейсів. Як результат, це дає OpenFOAM хороші розширювальні якості.

Структура OpenFOAM

OpenFOAM складається з великої базової бібліотеки, яка пропонує основні можливості коду:

• Тензорні операції та операції із векторними полями
• Дискретизація рівнянь в частинних похідних з використанням зручного для читання людиною синтаксису
• Рішення лінійних систем^[17]
• Рішення звичайних диференціальних рівнянь^[18]
• Автоматичне розпаралелювання операцій високого рівня
• Динамічна сітка^[19]
• Загальні фізичні моделі
  • Реологічні моделі^[20]
  • Термодинамічні моделі^[21]
  • Моделі турбулентності^[22]
  • Хімічні реакції та моделі кінетики^[23]
  • Лагранжеві методи відстеження частинок^[24]
  • Моделі випромінювання-теплопередачі
  • Методології багато- та одноканальних фреймів

Потужності, надані бібліотекою, потім використовуються для розробки додатків. Програми розробляються за допомогою синтаксису високого рівня, представленого OpenFOAM, метою якого є відтворення умовних математичних позначень. Є дві категорії додатків:

• Розв'язувачі: вони виконують фактичний розрахунок для вирішення конкретної проблеми механіки континууму.
• Утиліти: вони використовуються для підготовки сітки, встановлення симуляційного випадку, обробки результатів та виконання операцій, крім вирішення розглянутої проблеми.

Кожна програма надає певні можливості: наприклад, програма blockMesh використовується для створення сітки з вхідного файлу, наданого користувачем, тоді як інша програма, що називається icoFoam, розв'язує рівняння Нев'є-Стокса для нестисливого ламінарного потоку.

Нарешті, набір сторонніх пакетів використовується для забезпечення паралельної функціональності (OpenMPI) та графічної після обробки (ParaView).

Можливості

Моделювання спалення Метану. Графічний інтерфейс користувача - ParaView.

OpenFOAM розв'язувачі включають^[25]:

• Базові CFD розв'язувачі
• Нестримний потік з RANS та LES можливостями^[26]
• Потік стисливої рідини з RANS- та LES-можливостями^[27]
• Розв'язувачі плавучих потоків^[28]
• DNS та LES
• Розв'язувачі багатофазових потоків^[29]
• Розв'язувачі відстеження частинок
• Розв'язувачі проблем згоряння^[30]
• Розв'язувачі для кон'югатної теплопередачі^[28]
• Розв'язувачі молекулярної динаміки^[31]
• Розв'язувачі симулятора Монте Карло^[32]
• Розв'язувачі електромагнетизму^[33]
• Розв'язувачі твердої динаміки^[34]

Крім стандартних розв'язувачів, синтаксис OpenFOAM дозволяє легко створювати власні розв'язувачі.

OpenFOAM-утиліти поділяються на:

• Утиліти сіток
  • Генерація сітки: вони генерують обчислювальні сітки, починаючи з вхідного файлу (blockMesh) або з загальної геометрії, яка вказується як  STL-файл, який автоматично зчеплений шістнадцятковою сіткою (snappyHexMesh)
  • Перетворення сітки: вони перетворюють сітки, створені за допомогою інших інструментів, у формат OpenFOAM
  • Маніпуляція сіткою: вони виконують певні операції на сітці, такі як локалізований пошук, визначення регіонів та інші
• Утиліти паралельної обробки: вони надають інструменти для розкладання, реконструкції та перерозподілу обчислювального корпусу для виконання паралельних обчислень
• Передпроектні утиліти: інструменти для підготовки випадків моделювання
• Утиліти пост-обробки: інструменти для обробки результатів випадків моделювання, включаючи плагін для інтерфейсу OpenFOAM та ParaView
  
• Поверхневі утиліти
• Термофізичні утиліти

Ліцензія

OpenFOAM вільне та відкрите програмне забезпечення, випущене за умови дотримання GNU General Public License версії 3.^[35]

Переваги та недоліки

Переваги

• Привітний синтаксис для рівнянь з частковими похідними
  
• Повністю документований вихідний код^[36]
• Неструктуровані багатогранні сітки
• Автоматичне розпаралелювання додатків, написаних за допомогою високого рівня синтаксису OpenFOAM
• Широкий вибір додатків та моделей, готових до використання
• Комерційна підтримка та навчання, надані розробниками
• Без витрат на ліцензію

Недоліки

• Розвиток громади страждає від фрагментації, що призвело до створення численних проектів.
• Відсутність інтегрованого графічного інтерфейсу користувача
  
• Посібник для програміста не надає достатньої інформації

GUI і програмні інструменти з інтегрованим OpenFOAM розв'язувачем

• FEATool^[37]
• HELYX-OS^[38]
• iconCFD^[39]
• SimFlow^[40]
• SimScale^[41]
• SwiftBloc^[42] та SwiftSnap^[43]
• VisualCFD^[44]
• InsightCAE ^[45]