ofsp2026 17_field

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Mar 28, 2026 08:29 AM
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Mar 28, 2026
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ofsp2026 17_field
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ofsp2026
OpenFOAM
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Mar 28, 2026 09:15 AM
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0. 前言

回忆前文，我们已经讨论了输入输出、命令行参数、时间和网格。OpenFOAM 的计算绝大多数是基于物理场的，本项目开始讨论 OpenFOAM 中的“场”。
本文主要讨论
理解场的代码结构
理解场的计算参与
编译运行 field 项目

1. 项目准备

终端输入命令，建立项目
测试初始求解器，提供脚本和说明。

2. 场的创建

2.1. dimensionSet

前文用到了 OpenFOAM 的单位预设，其定义在 $FOAM_SRC/OpenFOAM/dimensionSet/dimensionSets.C ，文件中还定义了很多预设单位
再次摘阅如下
同样暂不深究代码实现细节。
我们可以设置自定义变量的物理单位，如

2.2. dimensionedType

查找类的定义
API 页面 https://api.openfoam.com/2506/dimensionedType_8H.html
终端输入命令，查找源代码
找到并摘取其中的构造函数如下
相应的，在 OpenFOAM 代码中可以看到如下类似的构造
在 dimensionedType.H 中也定义了配套的成员函数，比如
相应的，我们可以便捷的使用 value() 成员函数，例如对上面的 airPressure 取值，再计算最大值。
当然 OpenFOAM 中还提供了其他的构造函数和成员函数，我们可以在不同情况下构造自己的有单位物理量。目前阶段来说，我们不需要继续深挖源代码。点到为止，明白确实可以这样用，并且以后按照这种方式去用就可以了。
注意，OpenFOAM 会检查数学计算式等号两遍的最终单位是否相同，如果不同则会强制报错并中断程序，后续代码会面临并解决这个问题。

2.3. volFields

我们会注意到 OpenFOAM 中有典型的语句如下
那么 volScalarField 是什么呢？又是如何构造场的呢？
API 页面
终端输入命令，查阅源文件
📌
Tip
也许有同学还有疑惑“我怎么知道要查看这个文件”。参考 06_tensor 的讨论，安装 OFextension 插件后，直接在 volScalarField 关键字上右键跳转即可。也可以在 API 页面搜索关键词，以阅读相关页面。
代码 volFieldsFwd.H 中有类型定义如下
可以看到，volFields 包括常见的 volScalarField 和 volVectorField，是体积场量。无论是 volScalarField 还是 volVectorField 其实都是 GeometricField 的模板的不同情况。所以， volFields 只是一种模板类特化分组的称呼，而不是真正的类。

2.4. surfaceFields

同样的，面场量 surfaceFields 包括常见的 surfaceScalarField 和 surfaceVectorField 。
API 页面 https://api.openfoam.com/2506/surfaceFieldsFwd_8H.html
终端输入命令，查阅源文件
代码 surfaceFieldsFwd.H 中有类型定义如下
可见，surfaceFields 也是 GeometricField 的模板的不同情况。
📌
Tip
surfaceFields 的 surface 都可以写完整，为什么 volFields 的 volume 要简写成 vol 呢？也许是历史代码的原因吧。。。

2.5. GeometricField

基于上文的讨论，我们查阅 GeometricField.H 代码
API 页面 https://api.openfoam.com/2506/GeometricField_8H.html
终端输入命令，查阅源文件
摘取类的主要结构和几个常用构造函数如下
上述构造函数，对应实际的场的构造，分别举例如下
这三个例子对应了最常见的场的构造函数，其他构造函数以及更深入的代码层面的解析在以后会陆续介绍，无需担心。读者也可以尝试自行多阅读几个。

3. 场的时间推进

我们以压力场为例，结合场的创建，讨论一下场的时间推进计算。

3.1. 单时间步计算

主源码 ofsp_17_field.C 内容如下
📌
Tip
注意到主源码中的场的覆写是不区分初始时间步和后续时间步的，而且 foamCleanTutorials 命令不能恢复初始时间步文件夹内的场文件的内容。所以，为了避免初始条件被覆盖，强烈推荐备份初始条件。一旦初始场被覆盖，可以随时复原。

3.1.1. 脚本

脚本 caserun 修改为
脚本 caseclean 修改为
可以看到修改后的脚本更加通用。后续如非特别说明，可以直接拷贝使用此脚本。

3.1.2. 编译运行

终端输入命令，编译运行项目
终端输出如下
查看 debug_case/ 文件夹下，多了 0.005/ 文件夹，其中的 0.005/p 文件中写入了计算的场。最后的输出就是最新时间步的场的值。

3.2. 多时间步计算

如何在多个时间步上推进计算呢？
主源码修改如下
📌
Tip
关于写成 ++runTime 而不是 runTime++ 的讨论
  • 原则上来说，前置递增 ++a 比 后置递增 a++ 更高效
    • 前置递增 ++a 直接递增并返回自身，避免潜在拷贝
    • 后置递增则需要创建临时副本再增加并返回临时副本
  • 对于内置类型（int, float, 指针等）现代编译器一般会优化掉差异
  • 对于复杂类型（类、迭代器）前置更高效
编译运行项目
终端输出如下
观察 debug_case/ 文件夹下多了三个时间步的文件夹，现在的测试算例文件结构如下
查看各个时间步的压力场值，可以知道终端最后输出的值为最新时间步的计算值。

3.3. 字典控制计算

即使是多时间步计算，我们也是直接修改主源码的计算时间步个数，每次修改都要重新编译整个应用。如果是大型应用，重新编译会相当麻烦。
在实际工作中，我们希望在应用编译完成后，也可以通过外部文件去控制计算，也就是使用 OpenFOAM 的字典文件 controlDict 控制计算。
主源码修改为
编译运行项目
终端输出如下
测试算例 debug_case/ 文件多了几个时间步文件夹，分别是 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5，写入的时间步由 system/controlDict 控制。
字典 controlDict 的部分参数如下（每 0.005*20 = 0.1 写入一次）
这些参数都可以随时在字典中修改测试，无需重新编译项目。

4. 小结

本文介绍了 OpenFOAM 中的“场”。从代码和项目练习中，读者可以理解场是如何参与到计算项目中的。
本文完成讨论
理解场的代码结构
理解场的计算参与
编译运行 field 项目
 

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