学Fluent流体仿真！为什么还要学习UDF编程？

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：如果有时间的话，使用Fluent最好学习一下UDF，会加深你对Fluent的理解，拓展Fluent的功能，本文会详细介绍，可查看《Fluent 27个案例手把手教你学会UDF代码》视频教程，可以帮助用户进一步提升技能，理解并应用UDF来解决更复杂的问题，如何利用UDF自定义模拟条件，提高仿真精度和效率。

一、Fluent UDF概述

Fluent UDF（User Defined Function，用户自定义函数）是Ansys Fluent软件中的一种功能强大的工具，允许用户通过编程来自定义和扩展仿真功能。通过使用UDF，用户可以实现特定的物理现象模拟、设定自定义的边界条件、生成新的模型或优化现有模型的性能。

UDF是一段用C语言编写的代码，它可以嵌入到Fluent的求解器中，从而对流体模拟过程进行高度定制化。通过UDF，用户可以：

a.定义自定义边界条件和初始条件。
b.实现特定的物理和化学反应。
c.优化仿真过程中的特定计算。

二、常见UDF的语法

在编写UDF时，了解基本语法和结构是至关重要的。以下是UDF代码的基本组成部分：

1. 包含头文件：所有UDF代码都需要包含Fluent提供的头文件。

```

#include "udf.h"

```

2. DEFINE宏：使用Fluent提供的宏来定义特定的功能，如定义边界条件、材料属性等。

```

DEFINE_PROFILE(name, thread, position)

```

3. 函数主体：在函数主体中编写具体的实现代码。

三、UDF中的数据结构

在编写Fluent UDF时，理解和使用数据结构是至关重要的。Fluent UDF提供了一系列的数据结构，如domain、thread、cell、face等，用于在仿真过程中操作和获取相关信息。本文将介绍这些关键数据结构，帮助你更好地理解和使用UDF。

1.Domain

Domain是指整个计算区域，它包含了所有的网格信息和物理属性。在UDF中，domain通常用来获取全局信息或操作整个计算域。

Domain *domain;

domain = Get_Domain(1); // 获取域ID为1的计算域

2.Thread

Thread是指网格的一部分，可以是一个区域、边界或内部分区。在UDF中，thread用于操作特定区域或边界的网格单元。

Thread *t;

t = Lookup_Thread(domain, thread_id); // 根据ID获取特定的thread

3.Cell

Cell代表计算域中的一个网格单元。通过操作cell，可以获取或修改网格单元内的物理属性，如温度、压力、速度等。

cell_t c;

Thread *t = Lookup_Thread(domain, thread_id);

begin_c_loop(c, t)

{

real temp = C_T(c, t); // 获取网格单元的温度

}

end_c_loop(c, t)

4.Face

Face代表网格单元的一个面。通过操作face，可以获取或修改面上的属性，如法向量、通量等。

face_t f;

Thread *t = Lookup_Thread(domain, thread_id);

begin_f_loop(f, t)

{

real area = F_AREA(f, t); // 获取面的面积

}

end_f_loop(f, t)

5.其他常用数据结构

a.Node：代表网格的一个节点，用于获取或修改节点上的信息。

b.Boundary Condition：定义边界条件的结构体，用于设置或获取边界条件的信息。

示例：使用数据结构的UDF，展示了如何使用上述数据结构设置一个简单的速度入口边界条件。

#include "udf.h"

DEFINE_PROFILE(velocity_inlet, thread, position)

{

face_t f;

real velocity = 10.0;

begin_f_loop(f, thread)

{

F_PROFILE(f, thread, position) = velocity;

}

end_f_loop(f, thread)

}

在这个示例中：

- 使用了thread来表示入口边界。

- 使用了face来表示边界上的每个面。

- 通过F_PROFILE宏来设置面上的速度。

四、三个简单的UDF案例

1. 设置边界条件的UDF

该UDF设置速度入口边界条件为时间的函数。

#include "udf.h"

DEFINE_PROFILE(velocity_inlet, thread, position)

{

real t = CURRENT_TIME;

face_t f;

begin_f_loop(f, thread)

{

F_PROFILE(f, thread, position) = 10.0 * sin(2.0 * M_PI * t);

}

end_f_loop(f, thread)

}

2. 定义材料属性的UDF

该UDF定义温度作为材料粘度的函数。

#include "udf.h"

DEFINE_PROPERTY(viscosity, c, t)

{

real temp = C_T(c, t);

real mu;

mu = 1.0e-3 * (1.0 + 0.01 * (temp - 300.0));

return mu;

}

3. 定义源项的UDF

该UDF在计算域内定义一个体积力源项。

#include "udf.h"

DEFINE_SOURCE(momentum_source, c, t, dS, eqn)

{

real source;

source = 1.0e-3 * C_U(c, t);

dS[eqn] = 0.0;

return source;

}

五、学习UDF的方法

1. 熟悉C语言：UDF是用C语言编写的，因此熟悉C语言的基本语法和结构是学习UDF的基础。

2. 阅读Fluent UDF手册：Ansys官方提供了详细的UDF手册，其中包含了各种宏和函数的使用方法及示例。

3. 观看在线教程：网络上有许多优秀的UDF教程视频，可以帮助你快速入门并解决实际问题。

4. 加入相关社区：参与流体仿真和UDF编程的在线论坛和社区，与其他用户交流经验和心得，互相帮助解决问题。

5. 动手实践：通过实际项目中的应用，不断尝试编写和调试UDF，积累经验，提升技能。

六、课程推荐

本课程为原创课程，可以帮助大家进一步提升技能，理解并应用UDF来解决更复杂的问题，如何利用UDF自定义模拟条件，提高仿真精度和效率。仿真秀首发的视频课程《Fluent 27个案例手把手教你学会UDF代码》帮助工程师和理工科学子更好的使用、学习及科研。

《Fluent 27个案例手把手教你学会UDF代码》

课程简介:

1. 10次课程

2. 11小时，每节课一个小时左右

3. 27个案例：包含大量实战案例

4. 从环境变量配置到熟练使用UDF

5. 提供讲义和UDF代码

6. 课堂手写代码，手把手教你学习UDF

7. 教你会看UDF手册

本课适合哪些人学习：

1. 初学者：课程从最基础的内容开始，非常适合没有接触过Fluent UDF的初学者。

2. 中级用户：对于已经有一定Fluent基础，但对UDF还不熟悉的用户

3. 工程师和研究人员：在流体动力学、热传递、化工过程等领域工作的工程师和研究人员

4 高校师生：高校的流体力学、热传递、能源工程等相关专业的师生

你会得到什么：

1. 可以通过这些课程了解UDF的基本概念和使用方法。

2. 这些课程可以帮助进一步提升技能，理解并应用UDF来解决更复杂的问题。

3. 可以通过这些课程学习如何利用UDF自定义模拟条件，提高仿真精度和效率。

4. 可以从这些课程中获益，用于教学和科研。

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（完）

来源：仿真秀App

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首次发布时间：2024-07-10