背景

OpenFOAM 2.3.0 时,Henry G. Weller 开始采用基于原则设计的方式重构湍流模型代码。在这个版本中,新旧代码共存。旧代码位于 turbulenceModel 文件夹中,新的采用基于原则设计的代码则位于 TurbulenceModel 文件夹中(注意大小写)。

而到 OpenFOAM 3.0.0 发布时,turbulenceModel 文件夹被删除,同时旧代码全部被移除,整个湍流模型框架完全用基于原则设计的方式实现。

基于原则设计

基于原则设计(policy-based design)是 C++ 泛型编程的一种设计模式。具体来说是采用 C++ 的模板技术,将类设计为类模板(class template),并使该类模板继承自模板参数。

基于原则设计有两种形式:一种是模板参数为普通类,另一种是模板参数也为类模板。例如:

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// 第一种形式
template
<
    class T,
    class Policy1,
    class Policy2
>
class PolicyBasedClass

    public Policy1,
    public Policy2
{
    // ...
}

// 第二种形式
template
<
    class T,
    Template<class> class Policy1,
    Template<class> class Policy2
>
class PolicyBasedClass

    public Policy1<T>,
    public Policy2<T>
{
    // ...
}

其中 PolicyBasedClass 是一个基于原则设计的类,它继承自模板参数 Policy1Policy2。这两个模板参数又被称为原则类(policy classes)。

OpenFOAM 中的湍流模型代码用到的是第一种形式,接下来分析框架的具体实现。

湍流模型抽象基类

TurbulenceModel 是湍流模型的抽象基类,它的声明如下:

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template
<
    class Alpha,
    class Rho,
    class BasicTurbulenceModel,
    class TransportModel
>
class TurbulenceModel
:
    public BasicTurbulenceModel
{
    // ...

其中的 BasicTurbulenceModel 是一个原则类,同时也是 TurbulenceModel 的基类。

继承关系

TurbulenceModel 偏特化后派生出 4 个类,分别是:IncompressibleTurbulenceModelCompressibleTurbulenceModelPhaseIncompressibleTurbulenceModelPhaseCompressibleTurbulenceModel。这 4 个类为单相/多相流、不可压/可压缩流的组合。

它们的声明如下:

  • IncompressibleTurbulenceModel
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template<class TransportModel>
class IncompressibleTurbulenceModel
:
    public TurbulenceModel
    <
        geometricOneField,
        geometricOneField,
        incompressibleTurbulenceModel,
        TransportModel
    >
{
    // ...
  • CompressibleTurbulenceModel
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template<class TransportModel>
class CompressibleTurbulenceModel
:
    public TurbulenceModel
    <
        geometricOneField,
        volScalarField,
        compressibleTurbulenceModel,
        TransportModel
    >
{
    // ...
  • PhaseIncompressibleTurbulenceModel
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template<class TransportModel>
class PhaseIncompressibleTurbulenceModel
:
    public TurbulenceModel
    <
        volScalarField,
        geometricOneField,
        incompressibleTurbulenceModel,
        TransportModel
    >
{
    // ...
  • PhaseCompressibleTurbulenceModel
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template<class TransportModel>
class PhaseCompressibleTurbulenceModel
:
    public TurbulenceModel
    <
        volScalarField,
        volScalarField,
        compressibleTurbulenceModel,
        TransportModel
    >
{
    // ...

TurbulenceModel 的继承关系

TurbulenceModel的继承关系(点击图片放大)

模板参数

Alpha

Alpha 代表多相流中的相分数,通过不同类型的 Alpha,实现单相流/多相流的模拟。

  • 单相流:相分数可以看作是1,Alpha = geometricOneField
  • 多相流:相分数随空间位置变化,Alpha = volScalarField

提示

geometricOneField 可以被认为是一个所有体心值为1的 volScalarField

Rho

Rho 代表流体密度,通过不同类型的 Rho,实现不可压缩/可压缩流的模拟。

  • 不可压缩流体:密度不随空间位置变化,Rho = geometricOneField

  • 可压缩流体:密度随空间位置变化, Rho = volScalarField

提示

不可压缩流求解器中的流体控制方程中不涉及密度,所以密度可以认为是 geometricOneField

BasicTurbulenceModel

BasicTurbulenceModel 是原则类,也是 TurbulenceModel 的基类。这个模板参数的可选参数为 incompressibleTurbulenceModelcompressibleTurbulenceModel 。这两个类均派生自 turbulenceModel,均为纯虚类,需要在派生类中实现相关的纯虚函数。代码位于

  • $FOAM_SRC/TurbulenceModels/incompressible/incompressibleTurbulenceModel.H
  • $FOAM_SRC/TurbulenceModels/compressible/compressibleTurbulenceModel.H

提示

incompressibleTurbulenceModel 是描述不可压缩流体湍流模型的类,记住在这里它是一个原则类,被 IncompressibleTurbulenceModel<TransportModel> 继承。 compressibleTurbulenceModel 是描述可压缩流体湍流模型的类,也是一个原则类,被 CompressibleTurbulenceModel<TransportModel> 继承。

TransportModel

TransportModel 代表输运模型,这个参数对应的类用来描述和计算流体粘度。对于不同类型的流体有不同实现。

  • 不可压缩流体:TransportModel = transportModel

    • transportModel 代码位于 $FOAM_SRC/transportModels/incompressible/transportModel/

提示

transportModel 是一个描述不可压缩流体输运模型的抽象类,它可以派生出许多类,如描述单相流的 singlePhaseTransportModel,描述两相分层流 incompressibleTwoPhaseMixture 等。

  • 可压缩流体:TransportModel = fluidThermo

    • fluidThermo代码位于 $FOAM_SRC/thermophysicalModels/basic/fluidThermo/

提示

fluidThermo 是一个描述可压缩流体热力学模型的类,它继承自 basicThermocompressibleTransportModel ,派生出两个类:基于可压缩性描述的类 psiThermo 和基于密度描述的类 rhoThermo。这两个类又派生出其他类。

湍流模型类模板特化

OpenFOAM 对 TurbulenceModel 进行偏特化后,又进一步派生出 4 个类。从代码上看,用于多相流的两个类 PhaseIncompressibleTurbulenceModelPhaseCompressibleTurbulenceModel 明显没有单相流的 IncompressibleTurbulenceModelCompressibleTurbulenceModel 完成度高。

IncompressibleTurbulenceModel

IncompressibleTurbulenceModel 接受一个模板参数 TransportModel。对于不可压流体,这个参数为 transportModel,特化后得到 IncompressibleTurbulenceModel<transportModel> ,同时在 incompressible 命名空间下定义类型别名 turbulenceModel

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// $FOAM_SRC/TurbulenceModels/incompressible/turbulentTransportModels/turbulentTransportModel.H
namespace incompressible
{
    typedef IncompressibleTurbulenceModel<transportModel> turbulenceModel;
    // ...

可知 turbulenceModel 是一个全特化的类,特化的模板参数如下:

  • Alpha = geometricOneField
  • Rho = geometricOneField
  • BasicTurbulenceModel = incompressibleTurbulenceModel
  • TransportModel = transportModel

CompressibleTurbulenceModel

CompressibleTurbulenceModelIncompressibleTurbulenceModel 类似,也接受一个模板参数。对于可压缩流体,这个参数为 fluidThermo,特化后得到 CompressibleTurbulenceModel<fluidThermo>。这个类并没有直接定义类型别名,而是作为模板参数传递给另一个类模板 ThermoDiffusivity,然后在 compressible 命名空间下定义类型别名turbulenceModel

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// FOAM_SRC/TurbulenceModels/compressible/turbulentFluidThermoModels/turbulentFluidThermoModel.H
namespace compressible
{
    typedef ThermalDiffusivity<CompressibleTurbulenceModel<fluidThermo>>
        turbulenceModel;
    // ...

PhaseIncompressibleTurbulenceModel

PhaseIncompressibleTurbulenceModel 没有在湍流模型框架中特化。目前只有一个求解器 DPMFoam 使用 。PhaseIncompressibleTurbulenceModel 在求解器源码中进行特化:

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// $FOAM_SOLVERS/lagrangian/DPMFoam/createFields.H
autoPtr<PhaseIncompressibleTurbulenceModel<singlePhaseTransportModel>>
continuousPhaseTurbulence
(
    PhaseIncompressibleTurbulenceModel<singlePhaseTransportModel>::New
    (
        alphac,
        Uc,
        alphaPhic,
        phic,
        continuousPhaseTransport
    )
);

PhaseCompressibleTurbulenceModel

PhaseCompressibleTurbulenceModel 的模板特化放在求解器中,如 twoPhaseEulerFoamreactingTwoPhaseEulerFoam 以及 reactingMultiphaseEulerFoam 等。这块的代码较杂乱,并没有统一风格。如:

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// $FOAM_SOLVERS/multiphase/twoPhaseEulerFoam/phaseCompressibleTurbulenceModels/phaseCompressibleTurbulenceModel.H
typedef ThermalDiffusivity<PhaseCompressibleTurbulenceModel<phaseModel>>
    phaseCompressibleTurbulenceModel;

关于湍流模型框架的顶层设计先介绍到这里,下篇文章我们将介绍三个重要的类模板。