createPatch 边界重组：工程设置与参数选择

createPatch 在已有网格上重新组织边界面：把几个 patch 合成一个、从一个大 patch 里切出一块、把普通 patch 改成 cyclic 或 symmetryPlane、或者把内部面提升成挡板。它不改变网格几何，只改变 constant/polyMesh/boundary 的内容，因此所有改动都可以用面积核对来验证。

constructFrom 的四种来源

createPatchDict 中每个 patch 条目必须写 constructFrom，取值有四类：

• patches：从已有 patch 列表取面，配 patches ( inlet outlet )。
• patch：从单个已有 patch 取面，配同名条目。
• faceSet：从 topoSet 生成的 faceSet 取面，配 set <name>。
• faceZone：从 faceZone 取面，配 set <name>。

用错来源的典型表现是新 patch 面积为零，但 createPatch 不会报错。所以每次运行都必须做面积守恒核对：

$$A_{new}=\sum_{k}A_{k},\qquad \mathbf{n}_{new}\cdot\mathbf{n}_{k}>0$$

即新 patch 的面积等于各来源 patch 面积之和，且法向方向一致。设 inlet 面积 $0.02\,\mathrm{m^2}$、outlet $0.03\,\mathrm{m^2}$、top $0.05\,\mathrm{m^2}$，三者合成的新 patch 面积必须是 $0.10\,\mathrm{m^2}$；若日志给出 $0.07\,\mathrm{m^2}$，说明 patches 列表里漏了一项。

合并与切分的字典写法

// system/createPatchDict
pointSync       false;

patches
(
    // 合并三个 patch 成一个 "freestream"
    {
        name            freestream;
        patchInfo       { type patch; }
        constructFrom   patches;
        patches         ( inlet outlet top );
    }

    // 从大 patch 里切出一块作为监测面
    {
        name            probeWall;
        patchInfo       { type wall; }
        constructFrom   faceSet;
        set             probeFaces;
        order           clockwise;
    }

    // 把一个 patch 拆成壁面
    {
        name            lowerWall;
        patchInfo       { type wall; }
        constructFrom   patch;
        patch           ground;
    }
);

order 只对 faceSet/faceZone 来源生效，取 clockwise、counterClockwise 或 none。它决定新 patch 上面法向相对于原单元的朝向，进而决定 flipMap。取反的后果是壁面法向朝内，checkMesh 的 Boundary openness 会报出非零值，或者求解器在壁面处产生反向的黏性通量。

从普通 patch 改成 cyclic 配对

把两个几何对应的 patch 改成 cyclic 是旋转机械与周期性通道的常见需求。两个 patch 必须满足平移或旋转对应关系：

$$\mathbf{x}_{nb}=\mathbf{x}_{own}+\mathbf{d},\qquad \left|\mathbf{x}_{nb}-\mathbf{x}_{own}-\mathbf{d}\right|<\epsilon_{match}$$

d 是 offset 向量，matchTolerance 是相对网格包围盒尺度的容差，默认 $0.001$。设包围盒对角线 $1.5\,\mathrm{m}$，则绝对容差 $1.5\,\mathrm{mm}$，要求两侧顶点坐标在这个量级内重合。若两个 patch 是分别生成的、坐标只保留到 $0.1\,\mathrm{mm}$，通常可以通过；若一个是四面体网格、一个是六面体网格，顶点根本对不上，就必须改用 cyclicAMI。

    {
        name            periodicFront;
        patchInfo
        {
            type            cyclic;
            neighbourPatch  periodicBack;
            matchTolerance  0.001;
        }
        constructFrom   patch;
        patch           front;
    }

neighbourPatch 必须双向声明：两个条目互相指向，否则 createPatch 会以 Cannot find neighbourPatch 中止。旋转周期还要加 transform rotational 与 rotationAxis、rotationCentre。

面积与法向的核对命令

createPatch -overwrite 2>&1 | tee log.createPatch
grep -E "Creating|patch|area" log.createPatch
checkMesh -allGeometry -allTopology | tee log.checkMesh.patch
checkMesh -allGeometry | grep -A12 "Checking patch topology"

createPatch 日志里会逐条打印 Creating patch ... from ... 以及新 patch 的面数与面积，把这两项与来源 patch 的合计对照即可。checkMesh 的 Checking patch topology for multiply connected surfaces 段落会给出每个 patch 的 Faces、Points 和 Surface topology；合并后的 patch 若报 multiply connected，说明来源面在几何上不连通，这在物理上通常意味着漏选了某个面。

对于闭合的 cyclic 对，两侧面矢量应满足 $\sum_{f}\mathbf{S}_{f,own}=-\sum_{f}\mathbf{S}_{f,nb}$，即两侧法向相对而指。checkMesh 报 Boundary openness 非零时，先查这个关系。

失败模式与判定

现象	根因	判定试验
新 patch 面积为 0	constructFrom 与来源字段不匹配	对比日志中 Creating patch 的面积与来源合计
新 patch 面积小于来源之和	patches 列表漏项或名字拼错	逐项加总来源 patch 面积
壁面法向朝内	order 取了相反方向	交换 clockwise/counterClockwise 重跑
cyclic 配对报不匹配	顶点不重合或 offset 写错	把 matchTolerance 放大到 $0.01$ 试一次
Cannot find neighbourPatch	只写了一侧声明	检查两个条目的 neighbourPatch 是否互指
合并后报 multiply connected	来源面在几何上不连通	用 -writeSets vtk 把新 patch 面导出查看
求解器报缺 patchField	0/ 目录未同步新增 patch 名	比对 constant/polyMesh/boundary 与 0/ 的 patch 列表
并行下新 patch 只在部分进程出现	未在所有进程一致执行	逐个检查 processor*/constant/polyMesh/boundary

归档与回退

createPatch -overwrite 会直接覆盖 constant/polyMesh，调试阶段务必先复制一份 polyMesh 作为回退点。归档内容包括：createPatchDict、运行日志、改前后 boundary 文件的 diff、各 patch 的面积（m²）与面数、以及 cyclic 对的 matchTolerance 与 offset。面积这一列尤其重要，它是判断“重组是否正确”的唯一数值依据，缺了它就只能靠肉眼在 ParaView 里找面。

参考文献

1. OpenFOAM Foundation, OpenFOAM User Guide v11, §3.4 “Mesh modification with createPatch”, 2023.
2. OpenFOAM v11 源码 src/utilities/mesh/manipulation/createPatch/createPatch.C 与 src/OpenFOAM/meshes/polyMesh/polyPatches/constraint/cyclic/。
3. OpenFOAM v11 文档 createBaffles、changeDictionary 与 cyclicAMI 边界条件的 matchTolerance、offset 说明。
4. H. Jasak, Error Analysis and Estimation for the Finite Volume Method with Applications to Fluid Flows, PhD thesis, Imperial College London, 1996, §3.5 “Coupled and cyclic boundaries”.
5. F. Moukalled, L. Mangani, M. Darwish, The Finite Volume Method in Computational Fluid Dynamics, Springer, 2016, §13.4 “Periodic and cyclic boundary treatment”.
6. OpenFOAM v11 教程 tutorials/incompressible/simpleFoam/rotor2D/ 中的 createPatchDict 周期性设置。
7. Ferziger J.H., Perić M., Street R.L. 《Computational Methods for Fluid Dynamics》. Springer, 2020.
8. Beaudoin M., Jasak H. 《Development of a Generalized Grid Interface for Turbomachinery Simulations with OpenFOAM》. OpenFOAM Workshop, 2008.
9. Marić T., Höpken J., Mooney K. 《The OpenFOAM Technology Primer》. Sourceflux, 2014.