UDF的宏用法及相关算例.docx

1、UDF的宏用法及相关算例7自定义函数（UDF）7.1，概述用户自定义函数（User Defined Functions ,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

2、项等）g） 代数滑流（algebraic slip）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

3、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_RA TE和DEFINE_VR_RA TE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

4、FLUENT技术支部门要求帮助。 在此推荐一个网站 www.cfd-，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.

5、2Interpreted 型与 Compiled 型比较Compiled UDFs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“ dynamic loading ”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FL

6、UENT版本后，就必须重新建立相应的库。相反，Interpreted UDFs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。Interpreted UDFs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.In terpreted UDFs独立于计算机结构；能够完全当作 Compiled UDFs 使用； 不能与其它编译

7、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。! Interpreted UDFs 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 Compiled UDFs运行速度比 Interpreted UDFs 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 Interpreted UDFs 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

8、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,

9、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

10、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_veloc

11、ity 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：#define DEFINE_PROFILE（name ， t， I） void name（Thread *t ， int i） 通用的宏解释格式为#define macro replacement-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void inlet_x_velocity（Thread *thread ， int

12、position） 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.DEFI

13、NE_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

14、.DEFINE_DPM_LAW6.DEFINE_DPM_OUTPUT7.DEFINE_DPM_PROPERTY8.DEFINE_DPM_SCALAR_UPDA TE9.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

15、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 禾口 no des。! 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 ADJUSTNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE ADJUSTdomai nDoma in *doma invoid该函数在每一步迭

16、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 DIFFUSIVITYNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_DIFFUSIVITYc，t， icell_t c，Thread *t， int ireal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

17、量(传递给处理器) 。函数返回的是实型数据。例子见 5.3。725.3DEFINE_HEAT_FLUXNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_HEA T_FLUXf, t, c0, t0, cid , cirface_t f, Thread *t, cell_t c , Thread *t0 , real cid , real cirvoid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，cO表示邻近壁面的网格，tO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

18、辐射热流量(qir)。在计算时，FLUENT按照下面的公式求解：qid = cid0 + cid1 x C_T(cO, tO) cid2 x F_T(f, t) cid3 x pow(F_T(f,t), 4)qir = cir0 + cir1 x C_T(c0, t0) cir2 x F_T(f, t) cir3 x pow(F_T(f,t), 4)该函数无返回值。如何激活函数见 4.7,例子见5.6。7.2.6 DEFINE INITNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE INITdomai nDoma in *doma invoid该函数用

19、于初始化流场变量，它在 FLUENT默认的初始化之后执行。作用区域是全场，无返回值。函数的激活见4.5,例子见 5.4.1 和 5.5。7.2.7 DEFINE_ON_DEMANDNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE ON DEMANDvoid该函数不是在计算中由 FLUENT自动调用，而是根据需要手工调节运行。如何执行见 4.12，例子见5.8。7.2.8 DEFINE PROFILENameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE PROFILEt, icell t c , Thread *trea

20、l该函数定义边界条件。t指向定义边界条件的网格线，i用来表示边界的位置。函数在执行时，需要循环扫遍所有 的边界网格线，值存贮在 F_PROFILE(f , t, i)中，无返回值。选择使用本函数见 4.1，例子见 5.1.1, 5.1.2, 5.1.3, 5.3, 6.1.1 和 6.1.2。7.2.9 DEFINE PROPERTYNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE PROPERTYc , tcell t c , Thread *treal该函数用来定义物质物性参数。 c表示网格，t表示网格线，返回实型值。使用见 4.3,例子见6.3.1

21、。7.2.10 DEFINE RW FILENameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE RW FILEfpFILE *fpvoid该函数用于读写case和data文件。fp是指向所读写文件的指针。使用见 4.11，例子见2.9.8。7.2.11 DEFINE SCAT PHASE FUNCNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_SCATPHASE FUNCc , freal c , real *freal该函数定义 DO ( Discrete Ordinate)辐射模型中的散射相函数 (radiat

22、ion scattering phase function )。计算两个变量：从i向到j向 散射的辐射能量分数和前向散射因子 (forward scattering factor )。c表示的是i和j向夹角的余弦值， 散射的能量分数由函数返回，前向散射因子存贮在指针 f所指的变量中。处理器对每种物质，都会调用此函数，分别建立各物质的散射矩阵。7.2.12 DEFINE SOURCENameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_SOURCEc, t , dS, icell_t c , Thread *t , real dS, int ireal该函数定

23、义，除了 DO辐射模型之外，输运方程的源项。在计算中，函数需要扫描全场网格。 c表示网格，t表示网格线，dS表示源项对所求输运方程的标量的偏导数，用于对源项的线性化； i标志所定义源项对应于哪个输运方程。使用见 4.2，例子见 5.2.1，522，5.3，6.2.1。7.2.13 DEFINE_SR_RATENameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_SR_RA TEf，t，r，mw，yi，rrface_t f，Thread *t，React ion *r， real*mw，real *yi，real *rrvoid该函数定义表面化学反应速率。 f

24、表示面，t表示面的线，r是结构指针，表示化学反应； mw和yi是个实型指针数组，mw存贮物质的分子量，yi存贮物质的质量分数，rr设置函数的一个相关参数。函数无返回值，使用见 4.8。7.2.14 DEFINE UDS FLUXNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_UDS_FLUXf，t，iface_t f，Thread *t，int ireal该函数定义用户自定义标量输运方程（ user-defined scalar transport equations）的对流通量。f，t分别表示所求通量的面和面的线，i表示第几个输运方程（有处理器传递给

25、本函数） 。7.2.15 DEFINE UDS UNSTEADYNameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_UDS_UNSTEADYc，t，i， apu， sucell_t c， Thread *t， int i，real *apu，real *suvoid该函数定义用户自定义标量输运方程的非稳态项。 c表示网格，t表示网格线，i表示第几个输运方程。 在FLUENT中，非稳态项移到 RHS中，并以下面的方式离散：unsteady _term = - J=（凶 dVt（叭_（卄曲 迪V加一二 t 二 t方程右边第一项为 apu,第二项为sU。本函数无

26、返回值。7.2.16 DEFINE VR RATENameArgumentsArguments TypeReturn TypeDEFINE_VR_RATEc，t，r，mw，yi，rr， rr_tcell_t c， Thread *t， React ion *r， real *mw， real *yi， real *rr， real *rr tvoid该函数定义体积化学反应速率。 c表示网格，t表示网格线，r表示结构指针，表示化学反应过程， mw指针数组指向存贮物质分子量的变量， yi指向物质的质量分数；rr和rr_t分别设置层流和湍流时函数相关参数。函数无返回值，使用见4.8，例子见641。7

27、.2.6离散相模型宏及其定义的函数离散模型（DPM ）的宏定义的函数与通用宏所定义的函数书写格式是一样的。对于离散相需要强调结构指针 p，可以用它得到颗粒的性质和相关信息。下面是具体的宏定义。7.2.6.1 DEFINE DPM BODY FORCENameArgumentsArgument TypeReturn TypeDEFINE_DPMBODY FORCEp，iTracked_Particle *p， int ireal该函数用于定义除了重力和拉力之外的所有体积力。 p为结构指针，i可取0,1,3分别表示三个方向的体积力。函数返回的是加速度。使用见 4.4,例子见542。7.2.6.2D

28、EFINE_DPM_DRAGNameArgumentsArgument TypeReturn TypeDEFINE_DPM_DRAGRe, pTracked_Particle *p , real Rereal该函数定义拉力系数 Cd, Re为Rey no Ids数，与颗粒直径和相对于液相速度有关。拉力定义为:_ 18D 2Cd Re24Ip函数返回的值是18*CD*Re/24。使用见4.4，例子见543。7.263 DEFINE DPM EROSIONNameArgumentsArgument TypeReturn TypeDEFINE_DPM_EROSIONp, t, f, normal,

29、alpha,Vmag , mdotTracked_Particle *p ,Thread *t, face_t f , real alpha,real normal, real Vmag , real mdotvoid该函数定义颗粒撞击壁面湮灭或产生速率。 t为撞击面的线，f为撞击面；数组 normal存贮撞击面的单位法向量;alpha中存贮颗粒轨道与撞击面的夹角； Vmag存贮颗粒速度大小， mdot存贮颗粒与壁面撞击率。函数无返回值，颗粒湮灭或产生的计算结果存贮在面变量 F_STORAGE_R(f , t, SV_DPMS_EROSION)和F_STORAGE_R(f , t,SV_DPM

30、S_ACCRETION)中。使用见 4.4。7.264 DEFINE DPM INJECTION INITNameArgumentsArgument TypeReturn TypeDEFINE_DPM injectio nNITiInjectio n *Ivoid该函数用于定义颗粒注入轨道时的物理性质。 I是指针，指向颗粒产生时的轨道。对每一次注入，该函数需要在第一步DPM迭代前调用两次，在随后颗粒进入区域前每一次迭代中再调用一次。颗粒的初始化，诸如位置，直径和速度 可以通过该函数设定。函数无返回值。7.265 DEFINE DPM LA WNameArgumentsArgument TypeReturn TypeDEFINE_DPM_LAWp , ciTracked_Particle