OpenFOAM

Rechnergestützte Kontinuumsmodellierung von Transportprozessen

OpenFOAM steht für »Open Field Operation And Manipulation« und ist eine freie, quelloffene Software-Plattform mit wissenschaftlichem Schwerpunkt auf der Computational Continuum Mechanics (CCM) und Multiphysics, das heißt der rechnergestützten Simulation kontinuumsmechanischer, gekoppelter Problemstellungen.

Viele Transportprozesse in Natur und Technik lassen sich mathematisch über Kontinuumsmodelle beschreiben. In der Sprache der Mathematik stellen sich diese in Form partieller Differentialgleichungen dar. Allerdings liegen nur in wenigen Ausnahmefällen, für einfache oder vereinfachte Modelle, analytische Lösungen vor. Häufig ist es daher für das Verständnis und ggf. für die Verbesserung dieser Prozesse notwendig, partielle Differentialgleichungssysteme numerisch zu lösen.

Equation Mimmicking

Charakteristika von OpenFOAM als gemeinsame Entwicklungsplattform zur Umsetzung neuer Modellierungsansätze und Simulationsmethoden. Bild: Holger Marschall
Charakteristika von OpenFOAM als gemeinsame Entwicklungsplattform zur Umsetzung neuer Modellierungsansätze und Simulationsmethoden. Bild: Holger Marschall

OpenFOAM ist keine monolithische Software! Im Kern stellt sich OpenFOAM als eine flexible und effiziente C++ Klassenbibliothek dar. »Beigestellt« werden – als Beispiele für die Anwendung dieser Bibliothek zu verstehen – über 80 spezialisierte Programme, sogenannte Top-Level Solver, und über 170 Hilfswerkzeuge, sogenannte Pre- und Post-Processing Utilities.

OpenFOAMs Programmierung ermöglicht die Darstellung von Datentypen und Grundoperationen der CCM. Die Top-Level-Syntax folgt dabei so nah wie möglich der mathematischen Sprache für partielle Differentialgleichungen, der Tensor-Notation. Dies nennt sich »equation mimmicking«. Term für Term können hierbei Differentialoperatoren aus der mathematischen Sprache der partiellen Differentialgleichungen direkt in gültigen C++ Code »übersetzt« werden. Der Diffusions- bzw. Laplace-Operator, wie er beispielsweise bei Wärmetransportproblemen anzutreffen ist, wird etwa in einer Transportgleichung für die Temperatur zu fvm::laplacian(D, T). Neben dieser Flexibilität und Abstraktion ist OpenFOAM-Code auch ohne weiteres Zutun etwa auf dem Lichtenberg-Hochleistungsrechner der TU Darmstadt auf mehreren Prozessoren (also parallelisiert) nutzbar.

Diese Flexibilität durch Trennung von numerischer Formulierung und Lösung des Modellgleichungssystems stellt vielfach die simulationsgestützte Beforschung komplexer Prozesse auf den Kopf: OpenFOAM ermöglicht ein modulares Konzept unter flexibler Verschaltung seiner Funktionalität bei der Methodenentwicklung. Dies bringt neue, bisher ungenutzte Möglichkeiten mit sich, auch komplexe technische Transportprozesse mittels numerischer Simulationsmethoden effizient zu ergründen und zu verbessern.

Dr.-Ing. Holger Marschall