OpenFOAM中重力的植入方式

考虑重力的NS方程可以写为:

(1)ρ∂u⃗∂t+ρ∇(u⃗u⃗)=∇(μ∇u⃗)−∇P+ρg⃗\rho \frac{\partial \vec u}{\partial t}+\rho \nabla(\vec u \vec u)=\nabla(\mu\nabla \vec u)-\nabla P +\rho \vec g \tag {1}

在openFOAM中,许多求解器中都耦合了重力,以interFoam为例,其中的重力定义处的代码块为:

  fvc::reconstruct
            (
                (
                    mixture.surfaceTensionForce()
                  - ghf*fvc::snGrad(rho)
                  - fvc::snGrad(p_rgh)
                ) * mesh.magSf()
            )

将其中的重力抽离出来,其表达式为fvc::reconstruct( (ghf*fvc::snGrad(rho) )* mesh.magSf() )。通过溯源代码,我们可以进一步得到其中ghf的表达式:

new surfaceScalarField
(
    "ghf",
    (gFluid[i] & fluidRegions[i].Cf()) - ghRef
)

其中gFluid[i]返回了通过字典(constant/g)读取得到的重力加速度项,fluidRegions[i].Cf()返回了当前网格表面的面心矢量,ghRef是给定的相对重力加速度,一般为0。综上所述,openFOAM中的重力的表达式为:

(2)G⃗=−(g⃗⋅s⃗)∇ρ\vec G=-(\vec g \cdot \vec s)\nabla \rho\tag {2}

其中s⃗\vec s是待求点的位置矢量,这显然与方程1使用的重力表达式相差很大,接下来我们就一步一步推导这个结果。
首先明确,在涉及到重力的求解器中,其求解的压力p并不是总压P,而是动压,即:

(3)P=p+ρg⃗⋅s⃗P=p+\rho \vec g \cdot \vec s\tag {3}

之所以要这样处理是为了方便用户设置初场,大家可以设想最简单的溃坝算例,如果直接对总压设置初场,那我们要设置的则是一个梯形的压力分布,计算域的y坐标越高其净水压强就越大,而如果我们拆分成动压和静压的形式,就可以直接设置初场为0了。可能有小伙伴对g⃗⋅s⃗\vec g \cdot \vec s项不太理解,其实我们只要对其展开就很好说明问题了:

(4)g⃗⋅s⃗=(0,g,0)⋅(x,y,z)=gy\vec g \cdot \vec s=(0,g,0)\cdot(x,y,z)=gy\tag {4}

在动量方程中,我们存在对总压的压力梯度项,将总压拆成静压和动压即可得到:

(5)∇P=∇(p+ρg⃗⋅s⃗)=∇p+∇(ρg⃗⋅s⃗)=∇p+(g⃗⋅s⃗)∇ρ+ρ∇(g⃗⋅s⃗)\nabla P=\nabla (p+\rho \vec g \cdot \vec s)=\nabla p+\nabla(\rho \vec g \cdot \vec s)=\nabla p+ ( \vec g \cdot \vec s)\nabla\rho+\rho\nabla( \vec g \cdot \vec s)\tag {5}

其中关键点在于处理∇(g⃗⋅s⃗)\nabla(\vec g \cdot \vec s)项,根据式4有:

(6)∇(g⃗⋅s⃗)=∇(gy)=(∂(gy)∂x,∂(gy)∂y,∂(gy)∂z)=(0,g,0)=g⃗\nabla(\vec g \cdot \vec s)=\nabla (gy)=(\frac{\partial (gy)}{\partial x},\frac{\partial (gy)}{\partial y},\frac{\partial (gy)}{\partial z})=(0,g,0)=\vec g\tag {6}

因此,式5最终写为:

(7)∇P=∇p+(g⃗⋅s⃗)∇ρ+ρ∇(g⃗⋅s⃗)=∇p+(g⃗⋅s⃗)∇ρ+ρg⃗\nabla P=\nabla p+ ( \vec g \cdot \vec s)\nabla\rho+\rho\nabla( \vec g \cdot \vec s)=\nabla p+ ( \vec g \cdot \vec s)\nabla\rho+\rho \vec g\tag {7}

将式7带回方程1,即可得到OpenFOAM代码中使用的含重力的动量方程了:

(8)ρ∂u⃗∂t+ρ∇(u⃗u⃗)=∇(μ∇u⃗)−∇p−(g⃗⋅s⃗)∇ρ\rho \frac{\partial \vec u}{\partial t}+\rho \nabla(\vec u \vec u)=\nabla(\mu\nabla \vec u)-\nabla p - ( \vec g \cdot \vec s)\nabla\rho \tag {8}