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－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www.cfd-online.com，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UDF

5．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。

7.1.2 Interpreted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FLUENT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．Interpreted 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，在使用中要注意上面叙述的事项。

第二节 书写 UDFs

7.2.1 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。

7.2.2 UDF 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。

7.2.4.2 udf.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 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_ADJUST

2. DEFINE_DIFFUSIVITY 3. DEFINE_HEAT_FLUX 4. DEFINE_INIT

5. DEFINE_ON_DEMAND 6. DEFINE_PROFILE 7. DEFINE_PROPERTY 8. DEFINE_RW_FILE

9. DEFINE_SCAT_PHASE_FUNC 10. DEFINE_SOURCE 11. DEFINE_SR_RATE 12. DEFINE_UDS_FLUX

13. DEFINE_UDS_UNSTEADY 14. DEFINE_VR_RATE 离散相模型：

1. DEFINE_DPM_BODY_FORCE 2. DEFINE_DPM_DRAG 3. DEFINE_DPM_EROSION

4. DEFINE_DPM_INJECTION_INIT 5. DEFINE_DPM_LAW 6. DEFINE_DPM_OUTPUT 7. DEFINE_DPM_PROPERTY

8. DEFINE_DPM_SCALAR_UPDATE 9. DEFINE_DPM_SOURCE 10. DEFINE_DPM_SWITCH 多相模型：

1. DEFINE_DRIFT_DIAMETER 2. DEFINE_SLIP_VELOCITY

7.2.4.2 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。