中科大FLUENT讲稿 第七章 自定义函数

第七章自定义函数7.1，概述用户自定义函数（User－DefinedFunctions，即UDFs）可以提高FLUENT程序的标准计算功能。它是用C语言书写的，有两种执行方式：interpreted型和compiled型。Interpreted型比较容易使用，但是可使用代码（C语言的函数等）和运行速度有限制。Compiled型运行速度快，而且也没有代码使用范围的限制，但使用略为繁琐。我们可以用UDFs来定义：a)边界条件b)源项c)物性定义（除了比热外）d)表面和体积反应速率e)用户自定义标量输运方程f)离散相模型（例如体积力，拉力，源项等）g)代数滑流（algebraicslip）混合物模型（滑流速度和微粒尺寸）h)变量初始化i)壁面热流量j)使用用户自定义标量后处理边界条件UDFs能够产生依赖于时间，位移和流场变量相关的边界条件。例如，我们可以定义依赖于流动时间的x方向的速度入口，或定义依赖于位置的温度边界。边界条件剖面UDFs用宏DEFINE_PROFILE定义。有关例子可以在5.1和6.1中找到。源项UDFs可以定义除了DO辐射模型之外的任意输运方程的源项。它用宏DEFINE_SOURCE定义。有关例子在5.2和6.2中可以找到。物性UDFs可用来定义物质的物理性质，除了比热之外，其它物性参数都可以定义。例如，我们可以定义依赖于温度的粘性系数。它用宏DEFINE_PROPERTY定义，相关例子在6.3中。反应速率UDFs用来定义表面或体积反应的反应速率，分别用宏DEFINE_SR_RATE和DEFINE_VR_RATE定义，例子见6.4。离散相模型用宏DEFINE_DPM定义相关参数，见5.4。UDFs还可以对任意用户自定义标量的输运方程进行初始化，定义壁面热流量，或计算存贮变量值（用用户自定义标量或用户自定义内存量）使之用于后处理。相关的应用见于5.3，5.5，5.6和5.7。UDFs有着广泛的应用，本文并不能一一叙述。如果在使用中遇到问题，可以联系FLUENT技术支部门要求帮助。在此推荐一个网站，上面有FLUENT论坛，可进行相关询问和讨论。7.1.1书写UDFs的基本步骤在使用UDFs处理FLUENT模型的过程中，我们一般按照下面五步进行：1．概念上函数设计2．使用C语言书写3．编译调试C程序4．执行UDF5．分析与比较结果第一步分析我们所处理的模型，目的是得到我们要书写的UDF的数学表达式。第二步将数学表达式转化成C语言源代码。第三步编译调试C语言源代码。第四步在FLUENT中执行UDF。最后一步，将所得到的结果与我们要求的进行比较，如果不满足要求，则需要重复上面的步骤，直到与我们期望的吻合为止。7.1.2Interpreted型与Compiled型比较CompiledUDFs执行的是机器语言，这和FLUENT本身运行的方式是一样的。一个叫做Makefile的过程能够激活C编辑器，编译我们的C语言代码，从而建立一个目标代码库，目标代码库中包含有高级C语言的低级机器语言诠释。在运行的时候，一个叫做“dynamicloading”的过程将目标代码库与FLUENT连接。一旦连接之后，连接关系就会在case文件中与目标代码库一起保存，所以读入case文件时，FLUENT就会自动加载与目标代码库的连接。这些库的建立是基于特定计算机和特定FLUENT版本的，所以升级FLUENT版本后，就必须重新建立相应的库。相反，InterpretedUDFs是在运行的时候直接装载编译C语言代码的。在这种情况下，生成的机器代码不依赖于计算机和FLUENT版本。编译后，函数信息将会保存在case文件中，所以读入case文件时，FLUENT也会自动加载相应的函数。InterpretedUDFs具有较强的可移植性，而且编译比较简单。对于简单的UDFs，如果对运行速度要求不高，一般就采用Interpreted型的。下面列出的是两种UDFs的一些特性：1．InterpretedUDFs——独立于计算机结构；——能够完全当作CompiledUDFs使用；——不能与其它编译系统或用户库连接；——只支持部分C语言，不能包含：goto语句，非ANSI－C语法，结构，联合，函数指针，函数数组等。!InterpretedUDFs能够使用FLUENT提供的宏，间接引用存贮于FLUENT的变量，详见2.10。2．CompiledUDFs——运行速度比InterpretedUDFs快；——能够完全于C语言结合；——能够用任何兼容ANSI－C的编辑器编译；——对不同FLUENT版本（2D或3D）需要建立不同的共享库；——不一定能够当作InterpretedUDFs使用。我们在使用中首先要根据具体情况，明确使用哪种UDFs，然后才能进一步去实现，在使用中要注意上面叙述的事项。第二节书写UDFs7.2.1概述书写Interpreted型和Compiled型用户自定义函数的过程和书写格式是一样的。主要的区别在于与C语言的结合程度，Compiled型能够完全使用C语言的语法，而Interpreted型只能使用其中一小部分，这在前面有过论述。7.2.2UDF格式通用的UDF格式由三部分组成：1．定义恒定常数和包含库文件，分别由＃DEFINE和＃INCLUDE陈述（见2.3）；2．宏DEFINE_*定义UDF函数（见2.4）；3．函数体部分（见2.9）包含库有udf.h，sg.h，mem.h，prop.h，dpm.h等，其中udf.h是必不可少的，书写格式为#include“udf.h”；所有数值都应采用SI单位制；函数体部分字母采用小写，Interpreted型只能够包含FLUENT支持的C语言语法和函数。7.2.3包含库udf.h库文件udf.h必须C函数开头包含。7.2.4定义函数7.2.4.1简介Fluent公司提供了一套宏，来帮助我们定义函数。这些宏都以DEFINE_开始，对它们的解释包含在udf.h文件中，所以我们必需要包含库udf.h。为了方便使用，我们把对udf.h文件中解释宏列在附录A中。UDF使用宏DEFINE_定义，括号列表中第一个参数代表函数名。例如DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity，thread，position)定义了一个名为inlet_x_velocity的函数。!所有函数名必须小写紧接着函数名的是函数的输入参数，如上函数inlet_x_velocity有两个输入参数：thread和position，thread是一个指针，指向数据类型Thread，position是个整数（见2.4.3）。UDF编译和连接之后，函数名就会出现在FLUENT相应的下拉列表内。如上述函数，编译连接之后，就能在相应的边界条件面板内找到一个名为inlet_x_velocity的函数，选定之后就可以使用。7.2.4.2udf.h文件中对宏DEFINE_的解释在udf.h文件中，对附录A的宏作了解释，例如：#defineDEFINE_PROFILE(name，t，I)voidname(Thread*t，inti)通用的宏解释格式为#definemacroreplacement-text在编译前，C预处理器（即cpp）先进行宏替代。例如DEFINE_PROFILE(inlet_x_velocity，thread，position)替代为voidinlet_x_velocity(Thread*thread，intposition)替代后的函数返回实型值或不返回任何值。如上述函数由于是void型的，所以不返回任何值。7.2.4.3宏DEFINE宏DEFINE是用来定义UDFs的，可以分为三类：通用的，离散相的和多相的。从宏DEFINE下划线的后缀，我们可以看出该宏是用来定义哪种类型函数的。如DEFINE_SOURCE定义的函数用来修改输运方程源项，DEFINE_PROPERTY定义的函数用来定义物质的物理性质。通用的宏在2.5详述，离散相和多相的分别在2.6中详述。下面是附录A的简列。通用类型：1.DEFINE_ADJUST2.DEFINE_DIFFUSIVITY3.DEFINE_HEAT_FLUX4.DEFINE_INIT5.DEFINE_ON_DEMAND6.DEFINE_PROFILE7.DEFINE_PROPERTY8.DEFINE_RW_FILE9.DEFINE_SCAT_PHASE_FUNC10.DEFINE_SOURCE11.DEFINE_SR_RATE12.DEFINE_UDS_FLUX13.DEFINE_UDS_UNSTEADY14.DEFINE_VR_RATE离散相模型：1.DEFINE_DPM_BODY_FORCE2.DEFINE_DPM_DRAG3.DEFINE_DPM_EROSION4.DEFINE_DPM_INJECTION_INIT5.DEFINE_DPM_LAW6.DEFINE_DPM_OUTPUT7.DEFINE_DPM_PROPERTY8.DEFINE_DPM_SCALAR_UPDATE9.DEFINE_DPM_SOURCE10.DEFINE_DPM_SWITCH多相模型：1.DEFINE_DRIFT_DIAMETER2.DEFINE_SLIP_VELOCITY7.2.4.2数据类型的定义作为对C语言数据类型的补充，FLUENT定义了几种特殊的数据类型，最常用的是：Thread，cell_t，face_t，Node和Domain。Thread是相应边界或网格区域的结构类型数据；cell_t表示单独一个控制体体积元，用来定义源项或物性；face_t对应于网格面，用来定义入口边界条件等；Node表示相应的网格节点；Domain是一种结构，其中包含所有的threads，cells，faces和nodes。!Thread，cell_t，face_t，Node和Domain要区分大小写。7.2.5通用宏及其定义的函数宏DEFINE用来定义UDFs，下面是通用宏的具体解释。7.2.5.1DEFINE_ADJUSTNameArgumentsArgumentsTypeReturnTypeDEFINE_ADJUSTdomainDomain*domainvoid该函数在每一步迭代开始前，即在求解输运方程前执行。可以用来修改调节流场变量，计算积分或微分等。参数domain在执行时，传递给处理器，通知处理器该函数作用于整个流场的网格区域。如何激活该函数请参见4.6，具体求解例子见5.3，5.6和5.7。7.2.5.2DEFINE_DIFFUSIVITYNameArgumentsArgumentsTypeReturnTypeDEFINE_DIFFUSIVITYc，t，icell_tc，Thread*t，intireal该函数定义的是组分扩散系数或者用户自定义标量输运方程的扩散系数，c代表网格，t是指向网格线的指针，i表示第几种组分或第几个用户自定义标量（传递给处理器）。函数返回的是实型数据。例子见5.3。7.2.5.3DEFINE_HEAT_FLUXNameArgumentsArgumentsTypeReturnTypeDEFINE_HEAT_FLUXf，t，c0，t0，cid，cirface_tf，Thread*t，cell_tc，Thread*t0，realcid[]，realcir[]void该函数定义的是网格与邻近壁面之间扩散和辐射热流量。f表示壁面，t指向壁面线，c0表示邻近壁面的网格，t0指向网格线。函数中需要给出热扩散系数（cid）和辐射系数（cir），才能求出扩散热流量（qid）和辐射热流量（qir）。在计算时，FLUENT按照下面的公式求解：qid＝cid[0]＋cid[1]×C_T(c0,t0)－cid[2]×F_T(f,t)－cid[3]×pow(F_T(f,t),4)qir＝cir[0]＋cir[1]×C_T(c0,t0)－cir[2]×F_T(f,t)－cir[3]×