FLUENT流体模拟UDF讲解

1、计算流体力学软件计算流体力学软件Fluent培训培训UDF基础基础A Pera Global Company PERA China概要nFLUENT UDF简介nFLUENT 数据结构和宏n两个例子nUDF 支持A Pera Global Company PERA China简介n什么是UDF? UDF 是用户自己用C语言写的一个函数，可以和FLUENT动态链接 标准C 函数 三角函数，指数，控制块，Do循环，文件读入/输出等 预定义宏 允许获得流场变量，材料属性，单元几何信息及其他n为什么使用 UDFs? 标准的界面不能编程模拟所有需求: 定制边界条件，源项，反应速率，材料属性等 定制物理模

2、型 用户提供的模型方程 调整函数 执行和需求函数 初始化A Pera Global Company PERA China可以使用UDF的位置User-Defined PropertiesUser-Defined BCsUser Defined INITIALIZESegregatedPBCSExit LoopRepeatCheck Convergence Update Properties Solve Turbulence Equation(s)Solve SpeciesSolve EnergyInitializeBegin LoopDBCSSolve Other Transport Equa

3、tions as requiredSolver?Solve Mass Continuity;Update VelocitySolve U-MomentumSolve V-MomentumSolve W-MomentumSolve Mass& MomentumSolve Mass,Momentum,Energy,SpeciesUser-defined ADJUSTSource termsSource termsSource termsSourcetermsA Pera Global Company PERA ChinaUDF 数据结构 (1)在UDF中，体域和面域通过Thread数据类型

4、获得Thread 是 FLUENT 定义的数据类型为了在thread (zone)中获得数据，我们需要提供正确的指针，并使用循环宏获得thread中的每个成员(cell or face)Fluid (cell thread or zone)Boundary (face thread or zone)DomainCellDomainCellsCell Threadface ThreadFacesA Pera Global Company PERA ChinaUDF 数据结构(2)ncell_t 声明了识别单元的整型数据类型nface_t声明了识别面的整型数据类型Domain*d;d is a p

5、ointer to domain threadThread *t; t is a pointer to thread cell_t c; c is cell thread variableface_t f; f is a face thread variableNode *node;node is a pointer to a node.Boundary face-thread(boundary-face ensemble)Fluid cell-thread(control-volume ensemble)Internal face-thread(internal-face ensemble)

6、associated with cell-threadsNodesA Pera Global Company PERA ChinaUDF中的循环宏n几个经常用到的循环宏为: 对域d中所有单元thread循环:thread_loop_c(ct,d) 对域d中所有面thread循环:thread_loop_f(ft,d) 对thread t中所有单元循环：begin_c_loop(c, t) end_c_loop (c,t) 对面thread中所有面循环begin_f_loop(f, f_thread) end_f_loop(f, f_thread)d: a domain pointer ct,

7、t: a cell thread pointerft,f_thread: a face thread pointerc: a cell thread variablef: a face thread variableA Pera Global Company PERA China例子 抛物线分布的速度入口n在二维弯管入口施加抛物线分布的速度nx 方向的速度定义为n需要通过宏获得入口的中心点， 通过另外一个宏赋予速度条件A Pera Global Company PERA China 第1步 准备源代码nDEFINE_PROFILE 宏允许定义x_velocity函数 所有的UDFs 以 DEF

8、INE_ 宏开始 x_velocity 将在 GUI中出现 thread 和 nv DEFINE_PROFILE 宏的参数，分别用来识别域和变量 begin_f_loop宏通过thread指针，对所有的面f循环n F_CENTROID宏赋单元位置向量给 xn F_PROFILE 宏在面 f上施加速度分量n代码以文本文件保存inlet_bc.c#include udf.hDEFINE_PROFILE(x_velocity,thread,nv) float x3; /* an array for the coordinates */ float y; face_t f; /* f is a fac

9、e thread index */ begin_f_loop(f, thread) F_CENTROID(x,f,thread); y = x1; F_PROFILE(f, thread, nv) = 20.*(1.- y*y/(.0745*.0745); end_f_loop(f, thread)Header file “udf.h” must be included at the topof the program by the #include commandA Pera Global Company PERA China第 2 步 解释或编译 UDFn编译UDFn把 UDF 源码加入到

10、源文件列表中n点击 Build进行编译和链接n如果没有错误，点击Load读入库文件n如需要，也可以卸载库文件/define/user-defined/functions/managen解释UDFn把 UDF 源码加入到源文件列表中n点击 InterpretnFLUENT 窗口会出现语言n如果没有错误，点击 CloseDefineUser-DefinedFunctionsCompiledDefineUser-DefinedFunctionsInterpretedA Pera Global Company PERA China解释 vs. 编译n用户函数可以在运行时读入并解释，也可以编译形成共享库

11、文件并和FLUENT链接n解释 vs. 编译 解释 解释器是占用内存的一个大型程序 通过逐行即时执行代码 优势 不需要第三方编译器 劣势 解释过程慢，且占用内存 编译 UDF 代码一次转换为机器语言 运行效率高. 创建共享库，和其他求解器链接 克服解释器的缺陷n只有在没安装C编译器时使用解释方式A Pera Global Company PERA China第3 步 在 FLUENT GUI中hook UDFn打开边界条件面板，选择你要施加UDF的边界n把 Constant 改为 udf x_velocityn宏的名字为 DEFINE_PROFILE 中第一个参数A Pera Global C

12、ompany PERA China第4步 运行n可以在运行窗口中改变速度分布的更新间隔（默认为1） 这个设置控制了流场多久（迭代或时间步）更新一次n运行 calculation A Pera Global Company PERA China结果n左图为速度矢量图n右图为入口的速度矢量图，注意速度分布是抛物线型的A Pera Global Company PERA China其他 UDF Hooksn除了边界条件、源项、材料属性外，UDF 还可用于 初始化 每次初始化执行一次 求解调整 每次迭代执行一次 壁面热流量 以传热系数方式定义流体侧的扩散和辐射热流量 应用于所有壁面 用户定义表面反应或

13、体积反应 Case/ data 文件的读写 读入顺序必须和写出顺序一致 Execute-on-Demand 功能 不参与求解迭代DefineUser-DefinedFunction HooksA Pera Global Company PERA China例 2 定制初始化n在球内设定初始温度600 K 球中心点位于 (0.5, 0.5, 0.5), 半径为 0.25, 其余区域为300 Kn域指针通过变量传递到UDFnthread_loop_c 宏用来获得所有单元threads (zones), begin_c_loop 宏获得每个单元thread中的单元 #include udf.h“ D

14、EFINE_INIT(my_init_function, domain) cell_t c; Thread *ct; real xcND_ND; thread_loop_c(ct,domain) begin_c_loop (c,ct) C_CENTROID(xc,c,ct); if (sqrt(ND_SUM(pow(xc0-0.5,2.), pow(xc1 - 0.5,2.), pow(xc2 - 0.5,2.) 0.25) C_T(c,ct) = 600.; else C_T(c,ct) = 300.; end_c_loop (c,ct) A Pera Global Company PERA

15、 China DEFINE 宏nDEFINE 宏的例子 DEFINE_ADJUST(name,domain); general purpose UDF called every iterationDEFINE_INIT(name,domain); UDF used to initialize field variablesDEFINE_ON_DEMAND(name); an execute-on-demand functionDEFINE_RW_FILE(name,fp); customize reads/writes to case/data filesDEFINE_PROFILE(name

16、,thread,index); boundary profilesDEFINE_SOURCE(name,cell,thread,dS,index); equation source termsDEFINE_HEAT_FLUX(name,face,thread,c0,t0,cid,cir); heat fluxDEFINE_PROPERTY(name,cell,thread); material propertiesDEFINE_DIFFUSIVITY(name,cell,thread,index); UDS and species diffusivitiesDEFINE_UDS_FLUX(na

17、me,face,thread,index); defines UDS flux termsDEFINE_UDS_UNSTEADY(name,cell,thread,index,apu,su); UDS transient termsDEFINE_SR_RATE(name,face,thread,r,mw,yi,rr); surface reaction ratesDEFINE_VR_RATE(name,cell,thread,r,mw,yi,rr,rr_t); volumetric reaction ratesDEFINE_SCAT_PHASE_FUNC(name,cell,face); sc

18、attering phase function for DOMDEFINE_DELTAT(name,domain); variable time step size for unsteady problemsDEFINE_TURBULENT_VISCOSITY(name,cell,thread); calculates turbulent viscosityDEFINE_TURB_PREMIX_SOURCE(name,cell,thread,turbflamespeed,source); turbulent flame speedDEFINE_NOX_RATE(name,cell,thread

19、,nox); NOx production and destruction ratesA Pera Global Company PERA China几何和时间宏 C_NNODES(c,t); Returns nodes/cellC_NFACES(c,t); Returns faces/cellF_NNODES(f,t);Returns nodes/faceC_CENTROID(x,c,t);Returns coordinates of cell centroidin array xF_CENTROID(x,f,t); Returns coordinates of face centroidi

20、n array xF_AREA(A,f,t); Returns area vector in array AC_VOLUME(c,t); Returns cell volume C_VOLUME_2D(c,t); Returns cell volume (axisymmetric domain)real flow_time(); Returns actual timeint time_step; Returns time step numberRP_Get_Real(“physical-time-step”); Returns time step sizeA Pera Global Compa

21、ny PERA China流场变量宏C_R(c,t); DensityC_P(c,t); PressureC_U(c,t); U-velocityC_V(c,t); V-velocityC_W(c,t); W-velocityC_T(c,t); TemperatureC_H(c,t); EnthalpyC_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k)C_D(c,t); Turbulent dissipation rate ()C_O(c,t); Specific dissipation of k () C_YI(c,t,i);Species mass fractio

22、nC_UDSI(c,t,i); UDS scalarsC_UDMI(c,t,i); UDM scalarsC_DUDX(c,t);Velocity derivativeC_DUDY(c,t);Velocity derivativeC_DUDZ(c,t);Velocity derivativeC_DVDX(c,t); Velocity derivativeC_DVDY(c,t); Velocity derivativeC_DVDZ(c,t); Velocity derivativeC_DWDX(c,t); Velocity derivativeC_DWDY(c,t); Velocity deri

23、vativeC_DWDZ(c,t); Velocity derivativeC_MU_L(c,t); Laminar viscosityC_MU_T(c,t); Turbulent viscosityC_MU_EFF(c,t); Effective viscosityC_K_L(c,t); Laminar thermal conductivityC_K_T(c,t); Turbulent thermal conductivityC_K_EFF(c,t); Effective thermal conductivityC_CP(c,t); Specific heatC_RGAS(c,t); Gas

24、 constantA Pera Global Company PERA China流场变量宏C_R(c,t); DensityC_P(c,t); PressureC_U(c,t); U-velocityC_V(c,t); V-velocityC_W(c,t); W-velocityC_T(c,t); TemperatureC_H(c,t); EnthalpyC_K(c,t); Turbulent kinetic energy (k)C_D(c,t); Turbulent dissipation rate ()C_O(c,t); Specific dissipation of k () C_YI

25、(c,t,i);Species mass fractionC_UDSI(c,t,i); UDS scalarsC_UDMI(c,t,i); UDM scalarsC_DUDX(c,t);Velocity derivativeC_DUDY(c,t);Velocity derivativeC_DUDZ(c,t);Velocity derivativeC_DVDX(c,t); Velocity derivativeC_DVDY(c,t); Velocity derivativeC_DVDZ(c,t); Velocity derivativeC_DWDX(c,t); Velocity derivati

26、veC_DWDY(c,t); Velocity derivativeC_DWDZ(c,t); Velocity derivativeC_MU_L(c,t); Laminar viscosityC_MU_T(c,t); Turbulent viscosityC_MU_EFF(c,t); Effective viscosityC_K_L(c,t); Laminar thermalconductivityC_K_T(c,t); Turbulent thermalconductivityC_K_EFF(c,t); Effective thermalconductivityC_CP(c,t); Spec

27、ific heatC_RGAS(c,t); Gas constantC_DIFF_L(c,t); Laminar speciesdiffusivityC_DIFF_EFF(c,t,i); Effective species diffusivityA Pera Global Company PERA ChinaUDMn对每个单元由用户分配内存 定义多达500个变量 可以通过 UDFs获得: C_UDMI(cell,thread,index); F_UDMI(face,thread,index); 数据信息存在 FLUENT data 文件中DefineUser-DefinedMemoryA Pera Global Company PERA ChinaUDSnFLUENT 可以求解多达50个用户 定义标量的输运方程 UDS 变量的数量 UDS 在哪个域内求解 通量函数 DEFINE_UDS_FLUX(name,face