openfoam-cfd

OpenFOAM CFD 統合

概要

OpenFOAM（Open Field Operation and Manipulation）は、複雑な流体力学の問題を解くための包括的なツール群を提供する、無料のオープンソース CFD ソフトウェアパッケージです。有限体積法を使用して、流体の流れ、熱伝達、乱流、化学反応を表す偏微分方程式を離散化して解きます。

主な機能

• オープンソース：GPLv3 のライセンスで提供され、完全に無料で使用および変更できます
• 幅広い物理現象に対応：非圧縮性／圧縮性流れ、多相流、燃焼、熱伝達を扱います
• 並列計算：MPI ベースの並列処理を標準でサポートします
• カスタマイズ可能：C++ で記述されており、独自の物理モデルやソルバーに合わせて高い拡張性を備えています
• 業界標準：研究および商用アプリケーションで、学術機関や産業界に広く使用されています

アーキテクチャ

OpenFOAM はケースベースの構成を採用しており、各シミュレーションは次の要素を含む独立したディレクトリです：

• 初期条件と境界条件
• 物性値
• 数値スキーム
• ソルバー設定
• メッシュデータ

インストール

Ubuntu／Debian へのインストール

オプション 1：Ubuntu 公式リポジトリ（最新版）

# Add OpenFOAM repository
sudo sh -c "wget -O - https://dl.openfoam.org/gpg.key | apt-key add -"
sudo add-apt-repository http://dl.openfoam.org/ubuntu
sudo apt-get update

# Install OpenFOAM v11 (or latest version)
sudo apt-get install openfoam11

# Source the OpenFOAM environment
echo "source /opt/openfoam11/etc/bashrc" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

オプション 2：ESI-OpenCFD バージョン

# Add repository
sudo sh -c "wget -O - https://dl.openfoam.com/add-debian-repo.sh | bash"

# Install OpenFOAM v2312 (or latest version)
sudo apt-get install openfoam2312-default

# Source environment
echo "source /usr/lib/openfoam/openfoam2312/etc/bashrc" >> ~/.bashrc
source ~/.bashrc

オプション 3：ソースからビルド

# Install dependencies
sudo apt-get install build-essential cmake git ca-certificates \
    flex libfl-dev bison zlib1g-dev libboost-system-dev \
    libboost-thread-dev libopenmpi-dev openmpi-bin \
    gnuplot libreadline-dev libncurses-dev libxt-dev \
    qt5-default libqt5x11extras5-dev libqt5help5 qttools5-dev \
    qtxmlpatterns5-dev-tools libqt5opengl5-dev freeglut3-dev \
    libscotch-dev libcgal-dev

# Clone OpenFOAM
git clone https://github.com/OpenFOAM/OpenFOAM-11.git
cd OpenFOAM-11

# Source and compile
source etc/bashrc
./Allwmake -j

インストールの確認

# Check OpenFOAM environment
which simpleFoam
foamInstallationTest

# Run tutorial
mkdir -p $FOAM_RUN
cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/simpleFoam/pitzDaily $FOAM_RUN/
cd $FOAM_RUN/pitzDaily
blockMesh
simpleFoam

ポスト処理用の ParaView のインストール

# Install ParaView
sudo apt-get install paraview

# Or use OpenFOAM's reader
paraFoam

ケースディレクトリの構成

OpenFOAM のすべてのケースは、標準化されたディレクトリ構成に従います：

caseDirectory/
├── 0/                      # Initial and boundary conditions
│   ├── U                   # Velocity field
│   ├── p                   # Pressure field
│   ├── T                   # Temperature field (if applicable)
│   ├── k                   # Turbulent kinetic energy
│   ├── epsilon             # Turbulent dissipation rate
│   ├── omega               # Specific dissipation rate
│   └── nut                 # Turbulent viscosity
├── constant/               # Physical properties and mesh
│   ├── polyMesh/          # Mesh data
│   │   ├── points         # Vertex coordinates
│   │   ├── faces          # Face definitions
│   │   ├── owner          # Cell ownership
│   │   ├── neighbour      # Cell neighbors
│   │   └── boundary       # Boundary patches
│   ├── transportProperties # Fluid properties
│   ├── turbulenceProperties # Turbulence model selection
│   ├── g                  # Gravity vector
│   └── regionProperties   # Multi-region properties
├── system/                 # Numerical settings
│   ├── controlDict        # Simulation control
│   ├── fvSchemes          # Discretization schemes
│   ├── fvSolution         # Solver settings
│   ├── blockMeshDict      # Mesh generation
│   ├── snappyHexMeshDict  # Advanced meshing
│   ├── decomposeParDict   # Parallel decomposition
│   └── sampleDict         # Sampling/probing
└── [time directories]/     # Results at each time step
    ├── U
    ├── p
    └── ...

主なディクショナリ

controlDict（system/controlDict）

シミュレーションの実行と出力を制御します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      controlDict;
}

application     simpleFoam;      // Solver to use

startFrom       startTime;        // latestTime, firstTime
startTime       0;
stopAt          endTime;
endTime         1000;
deltaT          1;                // Time step

writeControl    timeStep;         // runTime, adjustableRunTime, cpuTime
writeInterval   100;              // Write every N steps
purgeWrite      2;                // Keep only last N time directories

writeFormat     ascii;            // binary
writePrecision  6;
writeCompression off;             // on for binary

timeFormat      general;
timePrecision   6;

runTimeModifiable true;           // Re-read dictionaries during run

// Function objects for monitoring and post-processing
functions
{
    forceCoeffs
    {
        type            forceCoeffs;
        libs            ("libforces.so");
        writeControl    timeStep;
        writeInterval   1;

        patches         (wall);
        rho             rhoInf;
        rhoInf          1.225;
        CofR            (0 0 0);
        liftDir         (0 1 0);
        dragDir         (1 0 0);
        pitchAxis       (0 0 1);
        magUInf         10;
        lRef            1;
        Aref            1;
    }

    probes
    {
        type            probes;
        libs            ("libsampling.so");
        writeControl    timeStep;
        writeInterval   1;

        fields          (p U);
        probeLocations
        (
            (0.5 0.5 0.5)
            (1.0 0.5 0.5)
        );
    }
}

fvSchemes（system/fvSchemes）

離散化スキームを定義します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      fvSchemes;
}

// Time derivatives
ddtSchemes
{
    default         steadyState;    // Euler, backward, CrankNicolson
}

// Gradient schemes
gradSchemes
{
    default         Gauss linear;   // cellLimited Gauss linear 1
    grad(p)         Gauss linear;
    grad(U)         cellLimited Gauss linear 1;
}

// Divergence schemes (convection)
divSchemes
{
    default         none;
    div(phi,U)      bounded Gauss linearUpwind grad(U);
    div(phi,k)      bounded Gauss upwind;
    div(phi,epsilon) bounded Gauss upwind;
    div(phi,omega)  bounded Gauss upwind;
    div((nuEff*dev2(T(grad(U))))) Gauss linear;
}

// Laplacian schemes (diffusion)
laplacianSchemes
{
    default         Gauss linear corrected;
}

// Interpolation schemes
interpolationSchemes
{
    default         linear;
}

// Surface normal gradient schemes
snGradSchemes
{
    default         corrected;
}

// Wall distance calculation
wallDist
{
    method          meshWave;
}

fvSolution（system/fvSolution）

ソルバーのアルゴリズムと許容誤差を定義します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      fvSolution;
}

solvers
{
    p
    {
        solver          GAMG;           // Geometric-Algebraic Multi-Grid
        tolerance       1e-6;
        relTol          0.01;
        smoother        GaussSeidel;
        nPreSweeps      0;
        nPostSweeps     2;
        cacheAgglomeration on;
        agglomerator    faceAreaPair;
        nCellsInCoarsestLevel 10;
        mergeLevels     1;
    }

    U
    {
        solver          smoothSolver;
        smoother        GaussSeidel;
        tolerance       1e-7;
        relTol          0.1;
        nSweeps         1;
    }

    "(k|epsilon|omega)"
    {
        solver          smoothSolver;
        smoother        GaussSeidel;
        tolerance       1e-8;
        relTol          0.1;
        nSweeps         1;
    }
}

// SIMPLE algorithm for steady-state
SIMPLE
{
    nNonOrthogonalCorrectors 0;
    consistent      yes;            // SIMPLEC algorithm

    residualControl
    {
        p               1e-5;
        U               1e-5;
        "(k|epsilon|omega)" 1e-5;
    }
}

// PIMPLE algorithm for transient
PIMPLE
{
    nOuterCorrectors    50;
    nCorrectors         2;
    nNonOrthogonalCorrectors 1;

    residualControl
    {
        U               1e-5;
        p               1e-5;
    }
}

relaxationFactors
{
    fields
    {
        p               0.3;
    }
    equations
    {
        U               0.7;
        k               0.7;
        epsilon         0.7;
        omega           0.7;
    }
}

transportProperties（constant/transportProperties）

流体の物性値を定義します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      transportProperties;
}

// Single phase
transportModel  Newtonian;

nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-05;  // Kinematic viscosity (m²/s)

// For multiphase (interFoam)
phases (water air);

water
{
    transportModel  Newtonian;
    nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1e-06;
    rho             [1 -3 0 0 0 0 0] 1000;
}

air
{
    transportModel  Newtonian;
    nu              [0 2 -1 0 0 0 0] 1.48e-05;
    rho             [1 -3 0 0 0 0 0] 1;
}

sigma           [1 0 -2 0 0 0 0] 0.07;  // Surface tension

turbulenceProperties（constant/turbulenceProperties）

乱流モデルを選択します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      turbulenceProperties;
}

simulationType  RAS;  // laminar, LES, RAS (RANS)

// RANS models
RAS
{
    RASModel        kEpsilon;  // kOmegaSST, realizableKE, SpalartAllmaras

    turbulence      on;
    printCoeffs     on;
}

// LES models
LES
{
    LESModel        Smagorinsky;  // kEqn, WALE, dynamicKEqn

    turbulence      on;
    printCoeffs     on;

    delta           cubeRootVol;

    cubeRootVolCoeffs
    {
        deltaCoeff      1;
    }
}

境界条件

一般的な境界タイプ

速度（U）

固定値（入口）

inlet
{
    type            fixedValue;
    value           uniform (1 0 0);  // 1 m/s in x-direction
}

ゼロ勾配（出口）

outlet
{
    type            zeroGradient;
}

すべりなし壁面

wall
{
    type            noSlip;  // equivalent to fixedValue uniform (0 0 0)
}

すべり壁面

symmetry
{
    type            slip;
}

プロファイル付き入口

inlet
{
    type            codedFixedValue;
    value           uniform (0 0 0);
    name            parabolicVelocity;
    code
    #{
        const fvPatch& boundaryPatch = patch();
        const vectorField& Cf = boundaryPatch.Cf();
        vectorField& field = *this;

        forAll(Cf, faceI)
        {
            scalar y = Cf[faceI].y();
            scalar H = 0.1;  // Channel height
            scalar Umax = 1.5;
            field[faceI] = vector(Umax * 4 * y * (H - y) / (H * H), 0, 0);
        }
    #};
}

圧力（p）

固定値（出口）

outlet
{
    type            fixedValue;
    value           uniform 0;
}

ゼロ勾配（入口）

inlet
{
    type            zeroGradient;
}

壁面

wall
{
    type            zeroGradient;
}

全圧（入口）

inlet
{
    type            totalPressure;
    p0              uniform 101325;
    U               U;
    phi             phi;
    rho             none;
    psi             none;
    gamma           1;
    value           uniform 101325;
}

乱流（k、epsilon、omega）

入口 - 固定値

// Turbulent kinetic energy
k_inlet
{
    type            turbulentIntensityKineticEnergyInlet;
    intensity       0.05;  // 5% turbulence intensity
    value           uniform 0.375;
}

// Dissipation rate
epsilon_inlet
{
    type            turbulentMixingLengthDissipationRateInlet;
    mixingLength    0.005;  // 0.5 cm
    value           uniform 14.855;
}

// Specific dissipation rate
omega_inlet
{
    type            turbulentMixingLengthFrequencyInlet;
    mixingLength    0.005;
    value           uniform 440;
}

壁関数

// k at wall
k_wall
{
    type            kqRWallFunction;
    value           uniform 0.375;
}

// epsilon at wall
epsilon_wall
{
    type            epsilonWallFunction;
    value           uniform 14.855;
}

// omega at wall
omega_wall
{
    type            omegaWallFunction;
    value           uniform 440;
}

// nut at wall
nut_wall
{
    type            nutkWallFunction;
    value           uniform 0;
}

出口

k_outlet
{
    type            zeroGradient;
}

epsilon_outlet
{
    type            zeroGradient;
}

omega_outlet
{
    type            zeroGradient;
}

乱流パラメーターの計算

入口条件の場合：

Turbulent intensity: I = u'/U = 0.16 * Re^(-1/8)
Turbulent kinetic energy: k = 3/2 * (U * I)²
Turbulent dissipation: ε = C_μ^(3/4) * k^(3/2) / L
Specific dissipation: ω = k^(1/2) / (C_μ^(1/4) * L)

Where:
- U = mean velocity
- Re = Reynolds number
- L = turbulent length scale ≈ 0.07 * characteristic_length
- C_μ = 0.09

ソルバーの選択

非圧縮性ソルバー

simpleFoam - 定常、非圧縮性、乱流

• 用途：外部空力、HVAC、産業流れ
• アルゴリズム：SIMPLE
• 速度：定常問題で高速に収束します

pimpleFoam - 非定常、非圧縮性、乱流

• 用途：渦放出、非定常流れ、LES
• アルゴリズム：PIMPLE（PISO と SIMPLE の統合）
• 速度：安定性に優れ、大きな時間刻みに対応します

icoFoam - 非定常、非圧縮性、層流

• 用途：低レイノルズ数、教育
• アルゴリズム：PISO
• 速度：層流で高速です

pisoFoam - 非定常、非圧縮性、乱流

• 用途：LES、DNS
• アルゴリズム：PISO
• 速度：小さな時間刻みが必要です

多相流ソルバー

interFoam - VOF 法、混ざり合わない 2 種類の流体

• 用途：自由表面流れ、スロッシング、砕波
• 流体間の界面を追跡します

multiphaseInterFoam - 複数流体用の VOF

• 用途：2 相を超える流れ

twoPhaseEulerFoam - オイラー・オイラー多相流

• 用途：流動層、気泡流

圧縮性ソルバー

rhoSimpleFoam - 定常、圧縮性、乱流

• 用途：高速流れ、圧縮性の影響

rhoPimpleFoam - 非定常、圧縮性、乱流

• 用途：非定常圧縮性流れ

sonicFoam - 非定常、圧縮性、超音速

• 用途：超音速流れ、衝撃波

熱伝達ソルバー

buoyantSimpleFoam - 定常、浮力駆動

• 用途：自然対流

buoyantPimpleFoam - 非定常、浮力駆動

• 用途：非定常自然対流

chtMultiRegionFoam - 共役熱伝達

• 用途：固体と流体間の熱伝達

メッシュ生成

blockMesh - 構造化六面体メッシュ

直方体領域用の基本的なブロックメッシュ：

// system/blockMeshDict
FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      blockMeshDict;
}

convertToMeters 1;

vertices
(
    (0 0 0)      // 0
    (1 0 0)      // 1
    (1 1 0)      // 2
    (0 1 0)      // 3
    (0 0 0.1)    // 4
    (1 0 0.1)    // 5
    (1 1 0.1)    // 6
    (0 1 0.1)    // 7
);

blocks
(
    hex (0 1 2 3 4 5 6 7) (20 20 1) simpleGrading (1 1 1)
);

edges
(
);

boundary
(
    inlet
    {
        type patch;
        faces
        (
            (0 4 7 3)
        );
    }
    outlet
    {
        type patch;
        faces
        (
            (1 2 6 5)
        );
    }
    walls
    {
        type wall;
        faces
        (
            (0 1 5 4)
            (3 7 6 2)
        );
    }
    frontAndBack
    {
        type empty;
        faces
        (
            (0 3 2 1)
            (4 5 6 7)
        );
    }
);

mergePatchPairs
(
);

実行：blockMesh

snappyHexMesh - 非構造六面体優勢メッシュ

STL ファイルから複雑な形状を生成する場合：

// system/snappyHexMeshDict (simplified)
FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      snappyHexMeshDict;
}

castellatedMesh true;
snap            true;
addLayers       true;

geometry
{
    geometry.stl
    {
        type triSurfaceMesh;
        name geometry;
    }
}

castellatedMeshControls
{
    maxLocalCells 100000;
    maxGlobalCells 2000000;
    minRefinementCells 0;
    nCellsBetweenLevels 3;

    features
    (
        {
            file "geometry.eMesh";
            level 2;
        }
    );

    refinementSurfaces
    {
        geometry
        {
            level (2 2);
        }
    }

    resolveFeatureAngle 30;
    refinementRegions
    {
    }

    locationInMesh (0.01 0.01 0.01);
    allowFreeStandingZoneFaces true;
}

snapControls
{
    nSmoothPatch 3;
    tolerance 2.0;
    nSolveIter 30;
    nRelaxIter 5;
}

addLayersControls
{
    relativeSizes true;
    layers
    {
        geometry
        {
            nSurfaceLayers 3;
        }
    }

    expansionRatio 1.2;
    finalLayerThickness 0.3;
    minThickness 0.1;
    nGrow 0;
    featureAngle 30;
    nRelaxIter 3;
    nSmoothSurfaceNormals 1;
    nSmoothNormals 3;
    nSmoothThickness 10;
    maxFaceThicknessRatio 0.5;
    maxThicknessToMedialRatio 0.3;
    minMedianAxisAngle 90;
    nBufferCellsNoExtrude 0;
    nLayerIter 50;
}

meshQualityControls
{
    maxNonOrtho 65;
    maxBoundarySkewness 20;
    maxInternalSkewness 4;
    maxConcave 80;
    minVol 1e-13;
    minTetQuality 1e-30;
    minArea -1;
    minTwist 0.02;
    minDeterminant 0.001;
    minFaceWeight 0.02;
    minVolRatio 0.01;
    minTriangleTwist -1;
    nSmoothScale 4;
    errorReduction 0.75;
}

debug 0;
mergeTolerance 1e-6;

実行：snappyHexMesh -overwrite

ParaView による後処理

paraFoam の使用

# In case directory
paraFoam

# With reconstructed parallel case
paraFoam -builtin

# Touch file for newer versions
touch case.foam
paraview case.foam

よく使われる可視化タスク

1. 速度の大きさ

   • Filters → Calculator
   • 結果配列名：UMag
   • 数式：mag(U)

2. 流線

   • Filters → Stream Tracer
   • シードタイプ：Point Source または Line Source
   • ベクトル：U

3. スライス／平面

   • Filters → Slice
   • 平面パラメーター：原点と法線

4. 等値面

   • Filters → Contour
   • 変数と値を選択します

5. 壁面せん断応力

   • Filters → Calculator
   • 数式：nu * mag(wallShearStress)

サンプリングとデータ抽出

system/sampleDict を作成します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      sampleDict;
}

interpolationScheme cellPoint;

setFormat   raw;

sets
(
    centerline
    {
        type    uniform;
        axis    distance;
        start   (0 0.5 0.05);
        end     (10 0.5 0.05);
        nPoints 100;
    }
);

surfaces
(
    plane
    {
        type    cuttingPlane;
        planeType pointAndNormal;
        pointAndNormalDict
        {
            point   (0 0 0);
            normal  (0 0 1);
        }
        interpolate true;
    }
);

fields  (p U k epsilon);

実行：postProcess -func sampleDict

並列処理

ケースの分解

system/decomposeParDict を作成します：

FoamFile
{
    version     2.0;
    format      ascii;
    class       dictionary;
    object      decomposeParDict;
}

numberOfSubdomains 4;

method          scotch;  // simple, hierarchical, manual

// For simple decomposition
simpleCoeffs
{
    n               (2 2 1);
    delta           0.001;
}

// For hierarchical decomposition
hierarchicalCoeffs
{
    n               (2 2 1);
    delta           0.001;
    order           xyz;
}

並列実行

# Decompose the mesh
decomposePar

# Run solver in parallel
mpirun -np 4 simpleFoam -parallel

# Reconstruct results
reconstructPar

# Reconstruct only latest time
reconstructPar -latestTime

ワークフローの概要

# 1. Create case structure
mkdir -p myCase/{0,constant,system}

# 2. Copy base configuration
cp -r $FOAM_TUTORIALS/incompressible/simpleFoam/pitzDaily/* myCase/

# 3. Edit dictionaries
# - system/controlDict
# - system/fvSchemes
# - system/fvSolution
# - constant/transportProperties
# - constant/turbulenceProperties
# - 0/U, 0/p, 0/k, 0/epsilon

# 4. Generate mesh
cd myCase
blockMesh

# 5. Check mesh quality
checkMesh

# 6. Run solver
simpleFoam > log.simpleFoam 2>&1

# 7. Monitor residuals
foamMonitor -l postProcessing/residuals/0/residuals.dat

# 8. Post-process
paraFoam

# For parallel:
decomposePar
mpirun -np 4 simpleFoam -parallel
reconstructPar

ベストプラクティス

1. メッシュ品質：シミュレーションの前に必ず checkMesh を実行します
2. 残差：収束を監視します（工学的な精度には < 1e-4）
3. クーラン数：安定性を保つため、Co < 1 にします（非定常ケース）
4. Y+ 値：壁関数では 30-300、境界層を直接解像する場合は < 1
5. 格子独立性：メッシュ細分化の調査を実施します
6. 初期化：より良い初期速度場を得るために potentialFoam を使用します
7. バックアップ：ケースファイルを git でバージョン管理します

トラブルシューティング

よくある問題

メッシュチェックの失敗

checkMesh
# Look for non-orthogonality, skewness
# Increase nNonOrthogonalCorrectors in fvSolution

発散

• 緩和係数を下げます
• 初期条件を改善します
• メッシュを細分化します
• 時間刻みを小さくします（非定常の場合）

収束が遅い

• 境界条件を確認します
• ソルバーの許容誤差を調整します
• より良い前処理法（圧力には GAMG）を使用します

並列処理の問題

# Check decomposition
decomposePar -cellDist

# Verify MPI installation
mpirun -np 2 hostname

リソース

• 公式ドキュメント
• OpenFOAM Wiki
• CFD Online フォーラム
• ユーザーガイド PDF
• プログラマーガイド
• チュートリアル

関連項目

• examples/pipe-flow/ - 乱流管内流れの完全なケース
• examples/pump-impeller/ - 回転機械のシミュレーション
• examples/scripts/ - Python によるケース生成ユーティリティ
• reference.md - 辞書とソルバーの詳細なリファレンス