Fumiya Nozaki

最終更新日: 2014年5月24日

Function Object

OpenFOAM v2.3.0

日本語版

Keywords： • OpenFOAM • Function Object

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Function Object

Function Object でできること OpenFOAM に付属のそれぞれのソルバーを実行しながら， • 流量の計算 • 変数の最大・最小値の計算 • 力，トルクの計算 • 抗力係数，揚力係数，トルク係数の計算 • 断面データの生成 • 境界データの生成 など

を行うことができます．

その他たくさん！今後，逐次追記していきます．

資料中の数式や設定は，非圧縮性流れに関する記述になっています． 圧縮性流れの場合には，適宜読み換えてご使用ください．

注意

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Function Object の設定方法

設定は，system ディレクトリ内の controlDict ファイルに記述します．

FoamFile { version 2.0; format ascii; class dictionary; location "system"; object controlDict; } // ************************************* // application simpleFoam; startFrom latestTime; startTime 0; stopAt endTime; endTime 1000; deltaT 1; writeControl timeStep; writeInterval 50; purgeWrite 0; writeFormat ascii; writePrecision 6; writeCompression off; timeFormat general; timePrecision 6; runTimeModifiable true; functions { }

Function Object の設定 １つの計算中に使用できる Function Object の数に 制限はありません．

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流量の計算

outletFlux { type functionObjectLibs enabled outputControl log valueOutput surfaceFormat source sourceName operation fields }

faceSource

faceSource; ("libfieldFunctionObjects.so"); true; outputTime; true; true; null; patch; outlet; sum; (phi);

“sourceName” で指定した『outlet』という名前の境界上で “fields” に指定した流束『phi』を 足し合わせることで出口の流量を計算しています． 流入境界では，phi の符号が負のため流量の符号が負になります．

functions {} の括弧の中に以下のように記述します．次ページ以降も同様．

使用する Function Object のタイプ

抽出するデータに付ける名前です．任意の名前が使用できます． 抽出されたデータは，postProcessing ディレクトリの中に保存されます． この例では，

postProcessing/outletFlux ディレクトリ にデータが保存されます．

注意

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計算領域全体の流量の収支

totalFlux { type fieldValueDelta; functionObjectLibs ("libfieldFunctionObjects.so"); operation add; source1 { type faceSource; functionObjectLibs ("libfieldFunctionObjects.so"); enabled true; outputControl outputTime; log true; valueOutput true; surfaceFormat null; source patch; sourceName outlet; operation sum; fields (phi); } source2 { type faceSource; functionObjectLibs ("libfieldFunctionObjects.so"); enabled true; outputControl outputTime; log true; valueOutput true; surfaceFormat null; source patch; sourceName inlet; operation sum; fields (phi); } }

fieldValueDelta

入口と出口が１つずつある場合， ２つのタイプの Fuction object • “fieldValueDelta” • “faceSource” を組み合わせることで系全体の流量の 収支を計算することができます． この例では， source1 で出口 (outlet) の流量を計算し，source2 で入口 (inlet) の流量を計算し，それらを足し合わせています (operation add;)．

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変数の最大値・最小値の計算

minMax { // Type of functionObject type // Where to load it from (if not already in solver) functionObjectLibs // Function object enabled flag enabled // Log to output (default: false) log // Write information to file (default: true) write // Fields to be monitored - runTime modifiable fields ( U p ); }

fieldMinMax

fieldMinMax; ("libfieldFunctionObjects.so"); true; true; true;

“fields” に指定した変数 の最大値・最小値を計算 することができます． セル中心値だけではなく 境界値も含めた値が 算出されます．

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力とトルクの計算 forces

forces { type functionObjectLibs outputControl timeInterval log patches pName UName rhoName log rhoInf CofR }

forces; ( "libforces.so" ); timeStep; 1; yes; ( motorBikeGroup ); p; U; rhoInf; true; 1; (0 0 0);

力の計算に使用される設定項目

𝑭 = 𝜌 𝒏 ∙ 𝑝𝑰 − 𝜈 𝛻𝒖 + 𝛻𝒖𝑇 𝑑𝑆

𝑆

patches

rhoInf

pName

UName

“forces” タイプを使用することで， 物体に作用する流体力とトルクの計算が できます． 非圧縮性のソルバーで使用する場合には， 左のように密度を設定します： • rhoName rhoInf; • rhoInf 1; //密度 (定数) まずは，力の計算を見てみましょう．

𝝉 = 𝜌 𝒓 − 𝒓0 × 𝒏 ∙ 𝑝𝑰 − 𝜈 𝛻𝒖 + 𝛻𝒖𝑇 𝑑𝑆

𝑆

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力とトルクの計算 forces

forces { type functionObjectLibs outputControl timeInterval log patches pName UName rhoName log rhoInf CofR }

forces; ( "libforces.so" ); timeStep; 1; yes; ( motorBikeGroup ); p; U; rhoInf; true; 1; (0 0 0);

トルクの計算に使用される設定項目

patches

CofR

pName

UName

“forces” タイプを使用することで， 物体に作用する流体力とトルクの計算が できます． 非圧縮性のソルバーで使用する場合には， 左のように密度を設定します： • rhoName rhoInf; • rhoInf 1; //密度 (定数) 次に，トルクの計算を見てみましょう．

設定項目 ”log” で yes や true を設定した場合には，標準出力に下記に示すような出力があります．

力およびトルクそれぞれについて，圧力 (pressure)，せん断応力 (viscous)，ポーラスメディア (porous) からの寄与に分けて出力されます．

力とトルクはともにベクトル量なので，() 内に左から順番に X，Y，Z 方向成分が出力されます．

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力とトルクの計算 forces

forces forces output: sum of forces: pressure : (3.19519479621e-07 -3.39283827297e-10 2.91694224797e-07) viscous : (8.61541020438e-08 -9.18181827176e-11 2.88570744872e-07) porous : (0 0 0) sum of moments: pressure : (-2.16036092974e-12 -3.91033482698e-11 2.73917236771e-12) viscous : (-7.83296928941e-11 -2.16231108031e-07 -8.21346879764e-11) porous : (0 0 0)

力

トルク

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抗力係数，揚力係数，トルク係数の計算 forceCoeffs

forceCoeffs1 { type functionObjectLibs outputControl timeInterval log patches pName UName rhoName log rhoInf CofR liftDir dragDir pitchAxis magUInf lRef Aref }

forces; ( "libforces.so" ); timeStep; 1; yes; ( motorBikeGroup ); p; U; rhoInf; true; 1; (0 0 0); (1 0 0); (0 0 1); (0 1 0); 1; 1; 1;

“forceCoeffs” タイプを使用することで， 物体に作用する流体力とトルクを無次元化 した係数値の計算ができます． “forces” の場合に比べて，左の設定の “liftDir” 以下６つの設定が追加で必要です． 抗力，揚力係数の計算を見てみましょう．

𝐶𝑑 =𝑭 ∙ 𝒆𝑑12𝜌𝑈2𝑆

抗力係数

揚力係数 𝐶𝑙 =𝑭 ∙ 𝒆𝑙12𝜌𝑈2𝑆

dragDir

liftDir

magUInf Aref

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抗力係数，揚力係数，トルク係数の計算 forceCoeffs

forceCoeffs1 { type functionObjectLibs outputControl timeInterval log patches pName UName rhoName log rhoInf CofR liftDir dragDir pitchAxis magUInf lRef Aref }

forces; ( "libforces.so" ); timeStep; 1; yes; ( motorBikeGroup ); p; U; rhoInf; true; 1; (0 0 0); (1 0 0); (0 0 1); (0 1 0); 1; 1; 1;

“forceCoeffs” タイプを使用することで， 物体に作用する流体力とトルクを無次元化 した係数値の計算ができます． “forces” の場合に比べて，左の設定の “liftDir” 以下６つの設定が追加で必要です． トルク係数の計算を見てみましょう．

𝐶𝑚 =𝝉 ∙ 𝒆𝑚12𝜌𝑈2 𝑙 𝑆

トルク係数

pitchAxis

magUInf Aref

lRef

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抗力係数，揚力係数，トルク係数の計算 forceCoeffs

設定項目 ”log” で yes や true を設定した場合には，標準出力に下記に示すような出力があります．

Cl(f) および Cl(r) は次の量を表します．

• Cl(f) = Cl/2.0 + Cm

• Cl(r) = Cl/2.0 - Cm

forceCoeffs forceCoeffs1 output: Cm = -4.32540422758e-07 Cd = 1.16052993934e-06 Cl = 8.11347163329e-07 Cl(f) = -2.68668410934e-08 Cl(r) = 8.38214004422e-07

Cm Cd Cl

：トルク係数 ：抗力係数 ：揚力係数

forceCoeffs.C 223～224 行

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抗力係数，揚力係数，トルク係数の計算 forceCoeffs

binData { nBin 20; direction (1 0 0); cumulative yes; }

patches を方向 (direction) に等分割 (分割数：nBin) して，それぞれの部分の各係数を出力することができます．

direction

nBin 分割

• cumulative = no 各部分の係数がそれぞれ出力されます．

• cumulative = yes 係数が分割方向の正方向に足されて 出力されます．

Release Note v2.2.0

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(可視化用) 断面データの生成

cuttingPlane { type functionObjectLibs outputControl surfaceFormat fields interpolationScheme surfaces ( yNormal { type planeType pointAndNormalDict { basePoint normalVector } interpolate } );

surfaces

surfaces; ("libsampling.so"); outputTime; vtk; ( p U ); cellPoint; cuttingPlane; pointAndNormal; (0 0 0); (0 0 1); true;

“fields” の項目に指定した変数について， 断面上の値のデータを VTK 形式で出力 することができます． 左の設定では，断面の位置を • 断面上の点 (“basePoint”) • 断面の法線方向 (“normalVector”) で指定しています． 最適化計算の場合のようにたくさんの 計算を実行する場合や予め見たい断面 が決まっている場合には可視化の処理 を簡略化できるため便利です． 可視化例は16ページをご覧ください．

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(可視化用) 境界データの生成

Patch { type functionObjectLibs outputControl surfaceFormat fields interpolationScheme surfaces ( rotor { type patches interpolate } ); }

surfaces

surfaces; ("libsampling.so"); outputTime; vtk; ( p U ); cellPoint; patch; 1(rotor); true;

“fields” に指定した変数 (流速 U と圧力 p) について，”patches” に指定した 境界上の値のデータを VTK 形式で出力 することができます． 可視化例は16ページをご覧ください．

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可視化例

断面データ

境界データ

２つのオプション (calcTotal，calcCoeff) の値の組み合わせにより，出力する変数を４通りコントロールしています．

• total(p) の出力については，１８ページをご覧ください．

• static(p)_coeff の出力については，１９ページをご覧ください．

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pressureTools 概要

FALSE TRUE

FALSE static(p) static(p)_coeff

TRUE total(p) total(p)_coeffcalcTotal

calcCoeff

pressureTools

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全圧の計算

totalPressure { type functionObjectLibs outputControl calcTotal calcCoeff pRef rhoName rhoInf }

pressureTools; ( "libutilityFunctionObjects.so" ); outputTime; true; false; 101325; rhoInf; 1.2;

全圧を算出する場合

“calcTotal” を true に設定 “calcCoeff”を false に設定

非圧縮性ソルバーでの密度の 設定

• rhoName rhoInf; • rhoInf 1.2; //密度 (定数)

pressureTools

𝑝𝑡 = 𝑝𝑟𝑒𝑓 + 𝜌𝑝 +1

2𝜌𝑢2

全圧

pRef

rhoInf

圧力 𝑝 と流束 𝒖 は計算結果から得られます．

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圧力係数の計算 pressureTools

totalPressure { type functionObjectLibs outputControl calcTotal calcCoeff pInf UInf rhoName rhoInf }

pressureTools; ( "libutilityFunctionObjects.so" ); outputTime; false; true; 231.5; // unit: [Pa] (25.75 3.62 0); // unit: [m/s] rhoInf; 1.2;

圧力係数を算出する場合

“calcTotal” を false に設定 “calcCoeff” を true に設定

非圧縮性ソルバーでの密度の 設定

• rhoName rhoInf; • rhoInf 1.2; //密度 (定数)

圧力係数

𝐶𝑝 =𝜌𝑝 − 𝑝∞12𝜌𝑈∞

2= 1 −

𝑢

𝑈∞

2

圧力 𝑝 と流束 𝒖 は計算結果から得られます． rhoInf

pInf

UInf

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圧力係数の計算 pressureTools

よどみ点において

𝐶𝑝 = 0

主流より流速が大きい場所で 𝐶𝑝 < 0

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Doxygen ドキュメントの活用

Doxygen ドキュメントを活用することで， Function Object の設定に関する情報にアクセスできます．

Doxygen ドキュメントの使用方法は，春日様のページをご覧ください．

検索例）fieldMinMax