九、Fluent用户自定义函数(UDF)基础(2)-DEFINE_PROFILE

1. 简介

今天我们接着说Fluent UDF功能，我们经常使用的UDF宏主要有以下几种：

DEFINE_PROFILE：           定义模型边界

DEFINE_ADJUST：               用于协调计算过程中物理量

DEFINE_INIT：                 初始化宏，用于自定义初始化

DEFINE_PROPERTY：          定义材料物性

上述的几种宏基本上无论使用什么物理模型都会用到，还有部分宏是在特定的模型下才会使用，如使用DPM模型时用DEFINE_DPM_SOURCE宏来定义DPM源项，而普通的物理模型下源项通过DEFINE_SOURCE宏定义即可。

 

今天我们主要了解DEFINE_PROFILE宏的使用，DEFINE_PROFILE宏可以用来定义边界条件，当边界条件比较复杂时，如定义壁面温度T_w=f(y)，即壁面温度是y的函数可以使用DEFINE_PROFILE宏进行定义。DEFINE_PROFILE宏可以用来定义的边界物理量如下：

• velocity, pressure, temperature

• mass flux

• species mass fraction (species transport)(组分质量分数，只在组分输运方程中可用) 

• volume fraction (multiphase models)(体积分数，在多相流中可用) 

• wall thermal conditions (temperature, heat flux, heat generation rate, heat transfer coefficients, and external emissivity, etc.)

• wall roughness conditions() 

• wall shear and stress conditions

• wall adhesion contact angle壁面接触角 (VOF multiphase model)

 

2. 模型及UDF代码

下面我们通过一个实例对DEFINE_PROFILE宏做一个简单的应用。如图1所示，流体从IN边界流入，从OUT边界流出，IN边界流体流速不是定值，而是随着y轴发生变化。 

图1.模型示意图

流体流速v_in函数

                                    （1）

接下来就是UDF的编写了，先贴上代码

1. #include "udf.h"

2. #include "math.h"   //包含头文件

3. 

4. DEFINE_PROFILE(velocity, t, i)  //边界条件宏

5. {

6. real x, y,xd[ND_ND];   //定义变量

7. face_t f;              //定义面指针

8. begin_f_loop(f, t)     //对边界面进行循环

9. {

10. F_CENTROID(xd, f, t);   //获取坐标

11. x = xd[0];              //xd[0]表示x坐标，xd[1]表示y坐标

12. y = xd[1];

13. F_PROFILE(f, t, i) = 2*y+1;   //速度函数

14. }

15. end_f_loop(f, t)

16. }

对于前两行，是UDF所包含的头文件，这两行代码是必写的，其他的情况还需要增加其他的头文件，如多相流时，需要用到#include "sg_mphase.h"。

DEFINE_PROFILE(velocity, t, i)定义边界宏，其中第一个参数velocity为这个宏的名字，可以任意取名；t即thread，表示指向边界的线程，关于UDF中的face、cell、thread、domain这些概念，理解起来比较复杂，以后会逐渐提及。i标识要定义的变量的索引。这里的t要和代码中的t保持相同，如果进行更改，其他地方的t也要相应更改。而对i不必理会。

第6行，real是UDF中声明变量的关键字，替代了C语言中的double这样的关键字，但本质是相同的。因此可以认为就是real x, y=double x, y，即声明了两个变量，而xd[ND_ND]则是UDF中表示数组的方法，等同于C语言中的数组声明。对于第7行，face_t表示声明指针，只不过这个指针是指向面的，与此对应的还有cell_t声明网格指针。

第8行的begin_f_loop(f, t)，可以理解为一个循环语句，中间的f表示对面进行循环，UDF中类似的语句有很多。后面的两个参数f，t，实际上就是在t这个thread上对所以的f进行循环。15行的end_f_loop(f, t)表示结束面循环

第10行的F_CENTROID(xd, f, t)表示获取t线程上的f面的质心，并赋值给数组xd。实际上就是获取面的坐标(x,y)，并赋给xd。其中xd[0]表示x坐标，xd[1]表示y坐标。因此11和12句就是将x坐标赋值给x，将y坐标赋值给y。

第13句的F_PROFILE(f, t, i) = 2*y+1是给边界条件赋值的语句。这条语句F_PROFILE(f, t, i)表示要赋值的物理量，等于号之后的表示赋值函数。这条语句并没有指出是在哪个边界给什么物理量赋值，因此将这个UDF加载在哪个边界什么物理量上就是给它赋值。

 

3. FLUENT操作

1. 打开fluent，read-mesh，将mesh导入Fluent中。

2. General界面保持默认，稳态不考虑重力

图2.General界面

3. 打开k-e湍流模型，能量方程不打开

图3.湍流模型

4. 流体材料设置为空气 

图4.流体材料

5. 导入UDF文件，一般有两种方法可以将编写好的C语言代码导入到Fluent中。第一种是interpreted解释型，如图5，单击interpreted，出现图6的界面，单击Browse选择编写好的代码文件图7，单击OK，返回图8界面，单击interpret。此时如果控制窗口没有出现Error字样，说明UDF没有问题。

       还有另一种导入UDF的方法-Compiled编译型，编译型方法导入UDF需要首先配置好环境变量，然后与解释型类似的操作。两种方法的区别：解释型相对简单很多，不必配置环境变量，同时计算过程中消耗内存也较低，但当UDF代码比较复杂时，或者用到一些高级宏时，解释型无法正常使用；编译型需要配置环境变量，计算过程会消耗一定的内存，但是对于任意的UDF都适用。这里由于UDF比较简单，我们使用解释型即可

图5.解释型UDF

图6.解释型UDF导入文件

图7.选择UDF代码

图8.对UDF进行解释

图9.控制窗口

6. 边界条件设置，IN设置为velocity-inlet，OUT设置为pressure-outlet，wall_t、wall_b均设置为wall。

       当导入UDF后，双击IN边界，单击Velocity Magnitude后面的constant会多出来udf velocity，这里的velocity就是我们编写的UDF，选择udf velocity，IN边界的速度就会按照代码中的函数变化。其他边界均保持默认设置

       从这里我们可以看出，对于DEFINE_PROFILE边界宏，UDF代码中并没有指定物理量，因此设置什么物理量边界和自己的操作有关。如将我们写好的速度函数代码，设置到速度方向上，仍然是可以的，只不过物理意义发生了变化。

图10.速度UDF加载

图11.将速度UDF加载到速度Y方向上

7. 初始化：使用Hybrid Initialization进行初始化。

图12.初始化

8. 计算：设置计算步数为1000步，单击calculate

图13.Calculate

 

4. 结果

1. 通过后处理查看速度云图 

图14.速度云图

2. 进口y方向速度曲线图

图15.速度曲线图显示设置 

图16.进口y方向速度曲线图