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pyOpenFOAM 项目需求文档

版本: v1.0 日期: 2026-05-17 状态: Phase 0–14 已完成，进入验证与优化阶段

一、项目目标

1.1 核心目标

将 OpenFOAM v2512 完全用 Python 重写，使用 PyTorch 作为后端实现 GPU 加速：

  • 功能完整性: OpenFOAM 能做的，pyOpenFOAM 都必须能做
  • 精度保证: 所有 OpenFOAM 官方算例能正确运行并保证精度
  • GPU 加速: 利用 PyTorch 后端支持 CUDA/MPS GPU 加速
  • 可微分性: 支持 torch.autograd，实现端到端可微分 CFD

1.2 关键约束

  • 尊重 OpenFOAM 源码: 换语言和后端重写，不是自己实现求解器
  • 算法忠实复刻: 充分研究 OpenFOAM 源码实现，复刻而非重新发明
  • 精度验证: 所有官方算例必须能正确运行并验证精度

二、总体架构

2.1 分层结构

┌─────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                    应用层 (applications/)                      │
│  simpleFoam │ rhoSimpleFoam │ interFoam │ buoyantFoam │ ... │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    求解器层 (solvers/)                         │
│  SIMPLE │ PISO │ PIMPLE │ 压力方程 │ Rhie-Chow │ 线性求解器  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    物理模型层                                  │
│  turbulence/ │ thermophysical/ │ multiphase/ │ radiation/     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    离散化层 (discretisation/)                  │
│  FVM 算子 │ 插值格式 │ 梯度/散度/拉普拉斯                      │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    边界条件层 (boundary/)                      │
│  fixedValue │ wallFunction │ inletOutlet │ cyclic │ ...      │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    场层 (fields/)                              │
│  volScalarField │ volVectorField │ surfaceScalarField │ ...  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    网格层 (mesh/)                              │
│  PolyMesh │ FvMesh │ 几何计算 │ 拓扑                          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    核心层 (core/)                              │
│  设备管理 │ 数据类型 │ 后端 │ LDU/FvMatrix │ 稀疏操作          │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    I/O 层 (io/)                               │
│  foam_file │ binary_io │ dictionary │ field_io │ mesh_io     │
├─────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                    并行层 (parallel/)                          │
│  分解 │ Halo 交换 │ 并行场/求解器/IO                          │
└─────────────────────────────────────────────────────────────┘

2.2 设计原则

  1. OpenFOAM 兼容性 — 原生支持所有 OpenFOAM 文件格式
  2. GPU 优先 — 所有张量操作通过 PyTorch，实现透明 CPU/CUDA/MPS 加速
  3. 默认 float64 — CFD 收敛需要双精度
  4. 惰性计算 — 几何量首次访问时计算并缓存
  5. 运行时选择 (RTS) — 边界条件使用类级注册表

三、验证基准清单

3.1 不可压缩流

案例 求解器 参考 验证标准
盖驱动方腔 (Re=100) simpleFoam Ghia et al. 1982 u ≈ -0.20581 在 y=0.5
盖驱动方腔 (Re=1000) simpleFoam Ghia et al. 1982 速度剖面匹配
后向台阶 simpleFoam Driver & Seegmiller 1985 再附着长度正确
圆柱绕流 pimpleFoam Schäfer & Turek 1996 升力/阻力系数正确
Couette 流 simpleFoam 解析解 L2 误差 < 0.1%
Poiseuille 流 simpleFoam 解析解 L2 误差 < 0.1%

3.2 可压缩流

案例 求解器 参考 验证标准
Sod 激波管 rhoCentralFoam Sod 1978 激波位置正确
前向台阶 sonicFoam Woodward & Colella 1984 激波结构正确
NACA 0012 rhoSimpleFoam NACA 实验数据 升力/阻力系数正确

3.3 多相流

案例 求解器 参考 验证标准
溃坝 interFoam Martin & Moyce 1952 水头位置正确
上升气泡 interFoam Hysing et al. 2009 气泡形状正确
气泡柱 twoPhaseEulerFoam 实验数据 气含率正确

3.4 热传导

案例 求解器 参考 验证标准
自然对流方腔 buoyantBoussinesqSimpleFoam de Vahl Davis 1983 Nu 数正确
热房间 buoyantSimpleFoam — 温度场正确

四、OpenFOAM v2512 求解器完整列表

4.1 不可压缩流 (11 个)

icoFoam, pisoFoam, pimpleFoam, simpleFoam, overSimpleFoam, overPimpleDyMFoam, porousSimpleFoam, SRFSimpleFoam, SRFPimpleFoam, boundaryFoam, adjointOptimisationFoam

4.2 可压缩流 (9 个)

rhoSimpleFoam, rhoPimpleFoam, rhoPimpleAdiabaticFoam, rhoPorousSimpleFoam, sonicFoam, sonicDyMFoam, sonicLiquidFoam, rhoCentralFoam, rhoCentralDyMFoam

4.3 浮力驱动 (7 个)

buoyantSimpleFoam, buoyantPimpleFoam, buoyantBoussinesqSimpleFoam, buoyantBoussinesqPimpleFoam, chtMultiRegionFoam, chtMultiRegionSimpleFoam, thermoFoam

4.4 多相流 (16 个)

interFoam, interIsoFoam, interMixingFoam, interPhaseChangeFoam, compressibleInterFoam, compressibleMultiphaseInterFoam, multiphaseInterFoam, icoReactingMultiphaseInterFoam, MPPICInterFoam, twoPhaseEulerFoam, multiphaseEulerFoam, reactingMultiphaseEulerFoam, reactingTwoPhaseEulerFoam, cavitatingFoam, driftFluxFoam, twoLiquidMixingFoam

4.5 其他 (20+ 个)

potentialFoam, laplacianFoam, scalarTransportFoam, reactingFoam, rhoReactingFoam, fireFoam, XiFoam, PDRFoam, engineFoam, coldEngineFoam, sprayFoam, coalChemistryFoam, reactingParcelFoam, simpleReactingParcelFoam, DPMFoam, MPPICFoam, dnsFoam, mdFoam, dsmcFoam, electrostaticFoam, magneticFoam, mhdFoam, solidDisplacementFoam, solidEquilibriumDisplacementFoam, financialFoam, thinFilmFlow

总计: ~60+ 个求解器

五、当前实现状态

5.1 已实现的求解器

类别 求解器 测试数
不可压缩 simpleFoam, icoFoam, pisoFoam, pimpleFoam, SRFSimpleFoam, porousSimpleFoam, boundaryFoam 193
可压缩 rhoSimpleFoam, rhoPimpleFoam, sonicFoam, rhoCentralFoam 154
浮力驱动 buoyantSimpleFoam, buoyantPimpleFoam, buoyantBoussinesqSimpleFoam 105
热传导 laplacianFoam, chtMultiRegionFoam 31
多相流 interFoam, multiphaseInterFoam, compressibleInterFoam, twoPhaseEulerFoam, multiphaseEulerFoam, cavitatingFoam 54
其他 potentialFoam, scalarTransportFoam, reactingFoam, solidDisplacementFoam 45

5.2 测试统计

  • 总测试数: 2041 passed, 17 xfailed
  • 覆盖率: 核心模块 ~80%，应用求解器 ~70%

5.3 待完成工作

  • 官方算例验证（与 OpenFOAM 对比精度）
  • 性能基准测试（CPU vs GPU vs OpenFOAM）
  • 部分教程案例尚未移植
  • Ghia 基准精度仍需改进（当前 15% 误差 @32×32）