版本: v1.0 日期: 2026-06-19
pyOpenFOAM 是 OpenFOAM 13 (Foundation) 的纯 Python 重写版本，使用 PyTorch 作为张量后端实现 GPU 加速。项目目标是完全复刻 OpenFOAM 的有限体积法 (FVM) 求解器，同时利用 PyTorch 的自动微分能力实现可微分 CFD。
pyfoam/
├── core/ # 基础层
│ ├── device.py # DeviceManager, TensorConfig
│ ├── dtype.py # CFD_DTYPE, INDEX_DTYPE
│ ├── backend.py # scatter_add, gather, sparse 操作
│ ├── ldu_matrix.py # LDU 稀疏矩阵格式
│ ├── fv_matrix.py # FVM 矩阵（源项、边界条件、松弛）
│ ├── sparse_ops.py # LDU→COO 转换、CSR matvec
│ └── multi_gpu.py # 多 GPU 管理
│
├── mesh/ # 网格表示
│ ├── poly_mesh.py # 原始拓扑（点、面、owner/neighbour）
│ ├── fv_mesh.py # 扩展几何量（体积、面积、法向量）
│ ├── mesh_geometry.py
│ └── topology.py
│
├── fields/ # 场类
│ ├── vol_fields.py # volScalarField, volVectorField
│ ├── surface_fields.py
│ ├── geometric_field.py
│ └── field_arithmetic.py
│
├── boundary/ # 边界条件（408+ 种）
│ ├── boundary_condition.py # RTS 注册表
│ ├── fixed_value.py, zero_gradient.py, cyclic.py, ...
│ ├── velocity_bcs.py, pressure_bcs.py, turbulence_bcs.py
│ └── coupled_temperature.py
│
├── io/ # I/O 层
│ ├── foam_file.py, dictionary.py, field_io.py, mesh_io.py
│ └── binary_io.py
│
├── discretisation/ # 离散化层
│ ├── operators.py # fvm/fvc.grad, div, laplacian, ddt
│ ├── interpolation.py
│ └── schemes/
│
├── solvers/ # 求解器层
│ ├── simple.py, piso.py, pimple.py
│ ├── pressure_equation.py, rhie_chow.py
│ ├── pcg.py, pbicgstab.py, gamg.py
│ └── preconditioners.py
│
├── turbulence/ # 湍流模型
│ ├── k_epsilon.py, k_omega_sst.py, spalart_allmaras.py
│ ├── smagorinsky.py, wale.py
│ ├── k_omega.py, launder_sharma_ke.py, v2f.py
│ └── wall_functions/
│
├── thermophysical/ # 热力学模型
│ ├── perfect_gas.py, sutherland.py
│ ├── janaf.py, h_const.py
│ └── he_psi_thermo.py, he_rho_thermo.py
│
├── multiphase/ # 多相流模型
│ ├── vof.py, mules.py
│ └── interfacial_models/
│
├── parallel/ # 并行支持
│ ├── decomposition.py, processor_patch.py
│ ├── parallel_field.py, parallel_solver.py
│ └── parallel_io.py
│
├── applications/ # 应用求解器（64 个）
│ ├── solver_base.py
│ ├── simple_foam.py, ico_foam.py, piso_foam.py, ...
│ ├── rho_simple_foam.py, sonic_foam.py, ...
│ ├── inter_foam.py, two_phase_euler_foam.py, ...
│ └── laplacian_foam.py, cht_multi_region_foam.py
│
├── postprocessing/ # 后处理
│ ├── function_object.py, forces.py, wall_shear_stress.py
│ ├── sampling.py, vtk_output.py
│ └── field_operations.py
│
├── differentiable/ # 可微分 CFD
│ ├── operators.py # DifferentiableGradient/Divergence/Laplacian
│ ├── linear_solver.py
│ └── simple.py
│
├── lagrangian/ # 拉格朗日粒子
│ ├── particle_tracking.py, spray.py, collision.py
│ └── breakup.py, evaporation.py
│
├── fv/ # fvModels 与 fvConstraints
│ ├── fv_models.py
│ └── fv_constraints.py
│
├── ode/ # ODE 求解器族
│ ├── euler.py, rk4.py, rkf45.py
│ └── rosenbrock.py
│
├── rigid_body/ # 刚体动力学
│ ├── rigid_body_solver.py, joints.py
│ └── constraints.py
│
├── structural/ # 结构力学
│ ├── displacement_solver.py
│ └── elastic_model.py
│
├── waves/ # 波浪模型
│ ├── airy.py, stokes.py
│ └── cnoidal.py
│
├── mesh_generation/ # 网格生成
│ ├── block_mesh.py
│ └── snappy_hex_mesh.py
│
├── mesh_conversion/ # 网格转换
│ ├── gmsh_to_foam.py
│ ├── fluent_mesh_to_foam.py
│ └── foam_to_vtk.py
│
├── tools/ # 工具（296 个）
│ ├── check_mesh.py, set_fields.py
│ └── decompose_par.py, foam_to_vtk.py
│
├── models/ # 空（桩）
└── utils/ # 空（桩）
所有矩阵系数和源项统一为单位体积形式（÷V），确保量纲一致。
- 隐式 BC：使用
internalCoeffs/boundaryCoeffs替代罚函数法 - 边界 delta：使用 2×d_P 使边界 delta 等于内部 delta
- 零梯度 BC：不对矩阵做贡献
- SIMPLEC：
A_p_eff = A_p - H1（非rAtU） - H1 计算：矩阵系数已为单位体积形式，不再除以单元体积
- 梯度/散度/Laplacian 使用
torch.autograd.Function实现自定义前向/反向传播 - 线性求解器使用隐式微分：
∂L/∂b = A^{-T} ∂L/∂x - SIMPLE 使用隐函数定理计算梯度
| 组件 | 技术 |
|---|---|
| 张量后端 | PyTorch (CPU/CUDA/MPS) |
| 线性代数 | PyTorch sparse, scipy.sparse |
| 并行 | MPI (mpi4py) |
| 网格生成 | 自研 blockMesh/snappyHexMesh |
| I/O | OpenFOAM 原生格式 (ASCII + binary) |
| 测试 | pytest |
| 文档 | Markdown (中英双语) |