计算作用于cellZone上的压力和剪切力

[liujm]

各位老师和前辈们好，

我想要通过划定cellZone区域来计算作用于该区域网格上的压力和剪切力，预期功能类似于forces.H中的void Foam::functionObjects::forces::calcForcesMoments()函数，然而，该函数是基于边界patch计算的【代码片段1】，我想要基于cellZone实现。而计算多孔介质部分的力【代码片段2】正是基于cellZone实现的，因此，

• i) 我想将基于patch的计算边界力的方法移植于多孔介质模块中，这样可行吗？

• ii) 评论区我放出改写的代码，烦请各位老师指出需要改进的地方

（如果有老师能够直接给出示例就更好了 ）

以下摘取了forces.H中void Foam::functionObjects::forces::calcForcesMoments()部分源码：
【代码片段1】

    if (directForceDensity_)
    {
        const auto& fD = lookupObject<volVectorField>(fDName_);
 
        const auto& Sfb = mesh_.Sf().boundaryField();
 
        for (const label patchi : patchSet_)
        {
            const vectorField& d = mesh_.C().boundaryField()[patchi];
 
            const vectorField Md(d - origin);
 
            const scalarField sA(mag(Sfb[patchi]));
 
            // Pressure force = surfaceUnitNormal*(surfaceNormal & forceDensity)
            const vectorField fP
            (
                Sfb[patchi]/sA
               *(
                    Sfb[patchi] & fD.boundaryField()[patchi]
                )
            );
 
            // Viscous force (total force minus pressure fP)
            const vectorField fV(sA*fD.boundaryField()[patchi] - fP);
 
            addToPatchFields(patchi, Md, fP, fV);
        }
    }
    else
    {
        const auto& p = lookupObject<volScalarField>(pName_);
 
        const auto& Sfb = mesh_.Sf().boundaryField();
 
        tmp<volSymmTensorField> tdevRhoReff = devRhoReff();
        const auto& devRhoReffb = tdevRhoReff().boundaryField();
 
        // Scale pRef by density for incompressible simulations
        const scalar rhoRef = rho(p);
        const scalar pRef = pRef_/rhoRef;
 
        for (const label patchi : patchSet_)
        {
            const vectorField& d = mesh_.C().boundaryField()[patchi];
 
            const vectorField Md(d - origin);
 
            const vectorField fP
            (
                rhoRef*Sfb[patchi]*(p.boundaryField()[patchi] - pRef)
            );
 
            const vectorField fV(Sfb[patchi] & devRhoReffb[patchi]);
 
            addToPatchFields(patchi, Md, fP, fV);
        }
    }
 

【代码片段2】

if (porosity_)
    {
        const auto& U = lookupObject<volVectorField>(UName_);
        const volScalarField rho(this->rho());
        const volScalarField mu(this->mu());
 
        const auto models = obr_.lookupClass<porosityModel>();
 
        if (models.empty())
        {
            WarningInFunction
                << "Porosity effects requested, "
                << "but no porosity models found in the database"
                << endl;
        }
 
        forAllConstIters(models, iter)
        {
            // Non-const access required if mesh is changing
            auto& pm = const_cast<porosityModel&>(*iter());
 
            const vectorField fPTot(pm.force(U, rho, mu));
 
            const labelList& cellZoneIDs = pm.cellZoneIDs();
 
            for (const label zonei : cellZoneIDs)
            {
                const cellZone& cZone = mesh_.cellZones()[zonei];
 
                const vectorField d(mesh_.C(), cZone);
                const vectorField fP(fPTot, cZone);
                const vectorField Md(d - origin);
 
                addToInternalField(cZone, Md, fP);
            }
        }
    }

祝好~

[liujm]

此处附上改写的代码，烦请各位老师指出错误所在，不胜感激：

    if (porosity_)
    {   
        const volVectorField& U  = lookupObject<volVectorField>(UName_);
        const volScalarField& p  = lookupObject<volScalarField>(pName_);   // Add code.
        const volScalarField rho(this->rho());
        const volScalarField mu(this->mu());
 
        const HashTable<const porosityModel*> models = obr_.lookupClass<porosityModel>();
 
        if (models.empty())
        {
            WarningInFunction
                << "Porosity effects requested, but no porosity models found "
                << "in the database"
                << endl;
        }
 
        forAllConstIters(models, iter)
        {
              // Non-const access required if mesh is changing
            porosityModel& pm = const_cast<porosityModel&>(*iter());
 
            vectorField fPTot(pm.porousForce(U, rho, mu));  // Modified code.
            
            const labelList& cellZoneIDs = pm.cellZoneIDs();
            
            for (const label zonei : cellZoneIDs)
            {
                const cellZone& cZone = mesh_.cellZones()[zonei];  // Get cells in zonei.
                const vectorField d(mesh_.C(), cZone);
                const vectorField fP(fPTot, cZone);
                
                const vectorField Md(d - coordSys_.origin());
                const labelList& cellsID = cZone;  // Add code: Get cellsID(index) list in zonei.
                vectorField fN(cZone.size(), Zero);
                vectorField fT(cZone.size(), Zero);
                scalar                  pRef                            = pRef_/rho(p);   // Add code: Scale pRef by density for incompressible simulations
                tmp<volSymmTensorField> tdevRhoReff                     = devRhoReff();
                const                   volSymmTensorField& devRhoReff1 = tdevRhoReff();
                
                Info << "cellZoneIDs zonei = " << zonei << "\n"<< endl;
                Info << "cells in zonei: cZone.size() = " << cZone.size() << "\n"<< endl;
                Info << "fN.size() = " << fN.size() << "\n"<< endl;
                Info << "fT.size() = " << fT.size() << "\n"<< endl;
                Info << "fP.size() = " << fP.size() << "\n"<< endl;
 
                forAll (cellsID, celli)
                {
                    label cellID               = cellsID[celli];
                    const labelList& cellFaces = mesh_.cells()[cellID];
                    forAll (cellFaces, facei)
                    {
                        label faceID = cellFaces[facei];
                          // fN.
                        vector cellFacesFN  = rho(p) * mesh_.Sf()[faceID] * (p[cellID] - pRef);
                        fN    [celli]      += cellFacesFN;
                          // fT.
                        vector cellsFacesfT  = mesh_.Sf()[faceID] & devRhoReff1[faceID];
                        fT    [celli]       += cellFacesFT;
                        
                        Info << "No." << celli << "cell's ID(index) is " << cellID << "\n" << endl;
                        Info << "fN = " << fN[celli] << "\n" << endl;
                        Info << "fT = " << fT[celli] << "\n" << endl;
                        Info << "fP = " << fP[celli] << "\n" << endl;
                    }
                }                     
                addToFields(cZone, Md, fN, fT, fP);
 
                applyBins(Md, fN, fT, fP, d);
            }
        }
    }

[liujm]

总体而言，就是要计算cellZone所有网格上的法向力和切向力，而不是仅仅计算作用在固壁边界上的力。
这里通过图示表达目的：

[李东岳]

你的力定义在面上，如何对你的cellZone里面的所有cells取力？

[liujm]

@李东岳 老师，可以直接对区域内的所有cell压力求积分得出吗？其实这篇帖子是这个帖子的延申 。
一方面，要保证动网格能够识别到patch名，另一方面也要计算cell上的力，请问李老师有没有更好的实现方法？

[李东岳]

一般力都定义在面上，压力、表面张力
当然存在一些体积力，比如重力，但不会产生剪切
但是你好像需要一个产生剪切的体积力，这是什么情况？

[liujm]

@李东岳 老师，我想要模拟浮式多孔介质模型在流体中的运动，因此需要获得物体的力（矩），这里的剪切力其实对应一楼【代码片段1】的54行和56行。

[李东岳]

你这个图里面，第一个图是可以理解的，因为force定义在面上，因此可以做面积分。

第二个myForce，你要对cell做操作，如何做面积分？

[liujm]

@李东岳 李老师，这也正是我遇到的问题 。

退一步我做一个简化，在图示的myForces.H的结构最外层cell上套一层patch边界，可不可以仅用patch计算cellZone最外层网格的力和力矩[1]，而不阻碍水体穿越被patch包裹的cellZone区域？

这个想法可行吗，如果可行的话老师方便指点一下，如何实现水体不穿越patch的功能？

[1] 只计算外层网格表面的受力是因为网衣通常不会太厚，有文献采用2m厚的多孔介质模型，网格尺寸0.5m来模拟。

在OF2206中，
对于patch，有addToPatchFields函数：

void Foam::functionObjects::forces::addToPatchFields
(
    const label patchi,
    const vectorField& Md,
    const vectorField& fP,
    const vectorField& fV
)
{
    sumPatchForcesP_ += sum(fP);
    sumPatchForcesV_ += sum(fV);
    force().boundaryFieldRef()[patchi] += fP + fV;
 
    const vectorField mP(Md^fP);
    const vectorField mV(Md^fV);
 
    sumPatchMomentsP_ += sum(mP);
    sumPatchMomentsV_ += sum(mV);
    moment().boundaryFieldRef()[patchi] += mP + mV;
}

对于多孔介质的cellZone，有addToInternalField函数：

void Foam::functionObjects::forces::addToInternalField
(
    const labelList& cellIDs,
    const vectorField& Md,
    const vectorField& f
)
{
    auto& force = this->force();
    auto& moment = this->moment();
 
    forAll(cellIDs, i)
    {
        const label celli = cellIDs[i];
 
        sumInternalForces_ += f[i];
        force[celli] += f[i];
 
        const vector m(Md[i]^f[i]);
        sumInternalMoments_ += m;
        moment[celli] = m;
    }
}

[liujm]

已经想到合适的解决方案啦！ 封楼