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OpenFOAM 场（field）的操作和运算
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Field Operation And Manipulation

field 相关类的结构

几个常见的类：

volScalarField
volVectorField
surfaceScalarField
surfaceVectorField

其实它们都是别名，定义如下：

typedef GeometricField<scalar, fvPatchField, volMesh> volScalarField;//src\finiteVolume\fields\volFields\volFieldsFwd.H
typedef GeometricField<vector, fvPatchField, volMesh> volVectorField;
typedef GeometricField<scalar, fvsPatchField, surfaceMesh> surfaceScalarField;//src\finiteVolume\fields\surfaceFields\surfaceFieldsFwd.H
typedef GeometricField<vector, fvsPatchField, surfaceMesh> surfaceVectorField;

发现，它们实际上都是 GeometricField，不过是提供的模板不同。
下面给出 GeometricField 类的 UML 类图。首先我们看到它需要三个模板：<Type,PatchField,GeoMesh>。
结合 volScalarField 和 surfaceScalarField 的定义，我们不难发现：第一个 Type 可以是 scalar vector 等，第二个 PatchField 可以是 fvPatchField fvsPatchField（这里的 s 表示 surface） 等，第三个 GeoMesh 可以是 volMesh surfaceMesh 等。

GeometricField 类定义于 src\OpenFOAM\fields\GeometricFields\GeometricField。

  • GeometricField – 场+网格，包含内部场及其边界场，边界场是场的场（FieldField）
  • DimensionedField – 带单位的场，只有内部场，没有边界场
  • Field – 数组（即 List）+代数操作

field 相关类的用法

构造

volScalarField A
(
    IOobject
    (
        "A",
        mesh.time().timeName(),
        mesh, //字典注册对象
        IOobject::MUST_READ, // MUST_READ_IF_MODIFIED  NO_READ  READ_IF_PRESENT
        IOobject::AUTO_WRITE, // NO_WRITE
        true //默认是注册
    ),
    mesh
)
volScalarField B
(
    IOobject
    (
        "B",
        mesh.time().timeName(),
        mesh,
        IOobject::NO_READ,
        IOobject::NO_WRITE
    ),
    mesh,
    dimensionedScalar(dimensionSet(1, -3, -1, 0, 0, 0, 0), 0.)
    // 量纲还可以：dimless，或者 dimMass/dimVolume
)

上述两种构造函数对应 GeometricField 源代码中的：

GeometricField(const IOobject&,const Mesh&);
GeometricField(const IOobject&,const Mesh&,const dimensioned<Type>&,const word& patchFieldType=PatchField<Type>::calculatedType());

第一种是从文件中读取，内部场和边界场的初始值都由文件给定，边界条件也由文件给定。
第二种不需要从文件中读取，内部场和边界场的初始值都是这里给定的 0，边界条件默认是 calculated。也可以指定边界条件类型，如：

volScalarField C
(
    IOobject
    (
        "C",
        mesh.time().timeName(),
        mesh,
        IOobject::NO_READ,
        IOobject::NO_WRITE
    ),
    mesh,
    dimensionedScalar(dimensionSet(1, -3, -1, 0, 0, 0, 0), 0.),
    zeroGradientFvPatchScalarField::typeName
)

下面介绍第三种构造方式，以一个量为蓝本，构造第二个

volScalarField D
(
    IOobject
    (
        "D",
        mesh.time().timeName(),
        mesh,
        IOobject::READ_IF_PRESENT,
        IOobject::AUTO_WRITE
    ),
    C
)

这个用法很有意思，当你提供了 D 时，它就会从文件读取；没提供时，它就会从 C 复制。
本人亲测。但是这个用法背后对应的代码有待挖掘。
它使用的是这个构造函数：


template<class Type, template<class> class PatchField, class GeoMesh>
Foam::GeometricField<Type, PatchField, GeoMesh>::GeometricField
(
    const IOobject& io,
    const GeometricField<Type, PatchField, GeoMesh>& gf
)
:
    Internal(io, gf),
    timeIndex_(gf.timeIndex()),
    field0Ptr_(nullptr),
    fieldPrevIterPtr_(nullptr),
    boundaryField_(*this, gf.boundaryField_)
{
    if (debug)
    {
        InfoInFunction
            << "Constructing as copy resetting IO params"
            << endl << this->info() << endl;
    }

    if (!readIfPresent() && gf.field0Ptr_)
    {
        field0Ptr_ = new GeometricField<Type, PatchField, GeoMesh>
        (
            io.name() + "_0",
            *gf.field0Ptr_
        );
    }
}

其中 Internal 的是 DimensionedField 的别名，调用的这个构造函数：

template<class Type, class GeoMesh>
DimensionedField<Type, GeoMesh>::DimensionedField
(
    const IOobject& io,
    const DimensionedField<Type, GeoMesh>& df
)
:
    regIOobject(io),
    Field<Type>(df),
    mesh_(df.mesh_),
    dimensions_(df.dimensions_)
{}

除了常规的 IOobject 构造，还有复制构造：

tmp<volScalarField> tmagGradP = mag(fvc::grad(p));
volScalarField normalisedGradP
(
    "normalisedGradP",//如果不指定名字，默认是什么？
    tmagGradP()/max(tmagGradP())
);

获取

  • const
    • Internal& internalField(), 有量纲的内部场
    • Internal::FieldType& primitiveField(), 无量纲的内部场
    • Boundary& boundaryField(), 无量纲的边界场

-non-const
* ref(), 有量纲的内部场
* primitiveFieldRef(), 无量纲的内部场
* boundaryFieldRef(), 无量纲的边界场

用 forAll 来遍历的时候，遍历的其实就是那个 field<Type>。
所以总体是有量纲的，用 forAll 对每个 cell 或 face 遍历的时候，就失去量纲了。

使用举例：

Info<<"T============"<<thermo.T()<<endl; // 有量纲的 内部+边界
Info<<"T.internalField()============"<<thermo.T().internalField()<<endl; // 有量纲的 内部+边界
Info<<"T.primitiveField()============"<<thermo.T().primitiveField()<<endl; // 无量纲的 内部
Info<<"T.boundaryField()============"<<thermo.T().boundaryField()<<endl; // 无量纲的 边界
Info<<"T.ref()============"<<thermo.T().ref()<<endl; // 有量纲的 内部+边界
Info<<"T.primitiveFieldRef()============"<<thermo.T().primitiveFieldRef()<<endl; // 无量纲的 内部
Info<<"T.boundaryFieldRef()============"<<thermo.T().boundaryFieldRef()<<endl; //无量纲的 边界

T文件：

dimensions [0 0 0 1 0 0 0];

internalField uniform 900;

boundaryField
{
    walls
    {
        type fixedValue;
        value uniform 1800;
    }
}

输出：

T============dimensions      [0 0 0 1 0 0 0];

internalField   uniform 900;

boundaryField
{
    walls
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 1800;
    }
}

T.internalField()============dimensions      [0 0 0 1 0 0 0];

internalField   uniform 900;

boundaryField
{
    walls
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 1800;
    }
}

T.primitiveField()============8{900}
T.boundaryField()============
1
(
    type            fixedValue;
    value           uniform 1800;

)

T.ref()============dimensions      [0 0 0 1 0 0 0];

internalField   uniform 900;

boundaryField
{
    walls
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 1800;
    }
}

T.primitiveFieldRef()============8{900}
T.boundaryFieldRef()============
1
(
    type            fixedValue;
    value           uniform 1800;

)

这里有一个奇怪的现象，即 ref 指的是内部场，但这里输出的确实内部+边界。不要被这里迷惑了，其它地方仍指的是内部场：

dimensionedScalar A(dimTemperature, 100.);
thermo.T().ref() = A;
Info<<"T============"<<thermo.T()<<endl;

输出：

T============dimensions      [0 0 0 1 0 0 0];

internalField   uniform 100;

boundaryField
{
    walls
    {
        type            fixedValue;
        value           uniform 1800;
    }
}

场的操作和运算( Field Operation And Manipulation)

IOobject 中定义的函数

  • writeOpt
    使用举例：
mu_.writeOpt() = IOobject::AUTO_WRITE;

DimensionedField 中定义的函数

  • 平均
p.average() = gAverage(p)
  • 加权平均
p.weightedAverage(weightField) = gSum(weightField*p)/gSum(weightField)

使用举例：

Info<<"average p is "<<p.weightedAverage(mesh.V()).value()<<endl;
//全场压力的体积加权平均值
  • dimensions
    使用举例：
Z_.dimensions().reset(dimless);

GeometricField 中定义的函数

  • max, min
    取最大值，包括内部场和边界场。并行计算时，Info输出的是master的还是全局的？未测试
    使用举例：
Info<<"T=== "<<max(thermo.T())<<endl;
  • writeMinMax
    输出最小最大值，只包括内部场。
template<class Type, template<class> class PatchField, class GeoMesh>
void Foam::GeometricField<Type, PatchField, GeoMesh>::writeMinMax
(
    Ostream& os
) const
{
    os  << "min/max(" << this->name() << ") = "
        << Foam::min(*this).value() << ", "
        << Foam::max(*this).value()
        << endl;
}

使用举例：

Z_.writeMinMax(Info);

下面是详细的测试：
T文件：

dimensions [0 0 0 1 0 0 0];

internalField uniform 900;

boundaryField
{
    walls
    {
        type fixedValue;
        value uniform 1800;
    }
}

使用举例：

Info<<"max(T)=== "<<max(thermo.T())<<endl; //内部+边界
Info<<"min(T)=== "<<min(thermo.T())<<endl; //内部+边界
Info<<"max(T.internalField)=== "<<max(thermo.T().internalField())<<endl; // 内部
Info<<"min(T.internalField)=== "<<min(thermo.T().internalField())<<endl; // 内部
Info<<"max(T.ref)=== "<<max(thermo.T().ref())<<endl; // 内部
Info<<"min(T.ref)=== "<<min(thermo.T().ref())<<endl; // 内部
Info<<"max(T.boundaryField)=== "<<max(thermo.T().boundaryField())<<endl; // 边界
Info<<"min(T.boundaryField)=== "<<min(thermo.T().boundaryField())<<endl; // 边界
thermo.T().writeMinMax(Info); // 内部

输出：

max(T)=== max(T) [0 0 0 1 0 0 0] 1800
min(T)=== min(T) [0 0 0 1 0 0 0] 900
max(T.internalField)=== max(T) [0 0 0 1 0 0 0] 900
min(T.internalField)=== min(T) [0 0 0 1 0 0 0] 900
max(T.ref)=== max(T) [0 0 0 1 0 0 0] 900
min(T.ref)=== min(T) [0 0 0 1 0 0 0] 900
max(T.boundaryField)=== 1800
min(T.boundaryField)=== 1800
min/max(T) = 900, 900
  • gMax
    max的并行版，但是返回的是无量纲的值？

FieldFunctions

一些底层的函数，一般用不到

DimensionedFieldFunctions

pow
sqr
magSqr
mag
cmptAv
gMax
gMin
gSum
gSumMag
gAverage
+
-
*外积
/
^叉乘
&点乘，内积
&& 双内积

GeometricFieldFunctions

pow
sqr
magSqr
mag
cmptAv
gMax返回的是无量纲的？
gMin
gSum
gSumMag
gAverage
+
-
*外积
/
^叉乘
&点乘，内积
&& 双内积

fvc 中的操作

volumeIntegrate

volumeIntegrate 的功能是对每个网格的某个物理量，乘以其网格体积，然后形成一个新的场。

volumeIntegrate(df) = df.mesh().V()*df.field();

domainIntegrate

domainIntegrate 的功能是对某个物理量，乘以其网格体积，然后对所有网格求和。

domainIntegrate(df) = gSum(fvc::volumeIntegrate(df));

这里的 gSum 是对全场求和。

其它 fvc 中的操作

surfaceIntegrate
surfaceSum
Su
Sp
SuSp
snGrad
reconstruct
laplacian
grad
flux
div
DDt
curl
average
cellReduce
文章作者: Yan Zhang
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