七十六、Fluent初始化patch和UDF详解

1.1 概念介绍

上篇文章我们详细的介绍了标准初始化和混合初始化七十五、Fluent初始化操作详解，但一些时候这两种初始化是不够的，还需要辅助的操作---patch操作

什么是Patch操作呢？英文翻译叫做”补丁“，它确实是补丁的意思。类似于给衣服打补丁，Patch操作就是为流场打上修补，即修改原始的正常流场。

这可以包括对初始化的速度场、温度场、体积分数场等进行调整，也可以是对经过计算后的各物理量场进行修正。Patch操作的目的是在流场中选择性地改变某些部分的特定物理量数值。

比如下图是在计算后的温度场基础上进行的patch操作，第二张图明显有”打补丁“的感觉。

注：虽然可以在计算结果后进行patch操作，但是一般是不这样做的，Patch主要还是修改初始化的流场，在初始化后紧接着进行patch操作。可以认为patch操作是一种高级的初始化。

1.2 Patch操作的适用性

什么时候需要”打补丁“呢？什么情况下需要patch操作？

一般来说，稳态计算不需要patch操作，而瞬态初始化才会用到patch操作。为什么呢？

因为稳态计算的最终结果不依赖初始化，那么初始化后的patch操作只是改变了迭代步数，对最终结果没有影响。

而瞬态计算不同，瞬态计算的最终结果依赖初始化，patch操作相当于改变了初始化值，会对最终的计算结果产生影响。比如溃坝问题，初始化后需要patch液态水的体积分数，来构建蓄水区域。

1.3 Patch操作步骤

下面我们以溃坝模型为例来详细说明patch操作。溃坝模型很简单，两相流，水刚开始被存储在蓄水池中，然后堤坝打开，水流出。

a. 标准初始化

先进行标准初始化，我们将water Volume Fraction设置为0，也就是整个计算域都是空气，没有水。但这显然不是我们想要的初始化结果，因此必须打补丁，也就是进行patch操作，将蓄水池装满水。

b. Patch界面

点击patch后会弹出patch界面

Patch界面可以分为三部分，第一部分是选择需要修改的物理量；第二部分是设置需要修改的值；第三部分是选择需要修改物理量的区域。我们详细讲解：

Ø 第一部分：

Reference Frame：参考系，默认即可，不必理会，具体意义可参考上篇文章。七十五、Fluent初始化操作详解

Phase和Variable：Phase表示需要修改哪一相的物理量，对于两相流，可以设置mixture和次相。Variable表示物理量。这两者是互相配合的，Phase下可以选择不同的相，可以设置不同的物理量。

对于本例，我们需要设置water的体积分数，因此phase需要选择water，Variable需要选择体积分数Volume Fraction。

Volume Fraction patch options:只有VOF 和 Eulerian 模型需要patch体积分数时才可用。一般保持默认即可。

Patch Reconstructed Interface：patch界面重构

我们patch的体积分数界面和实际的相界面，通过线性插值的方式重构，也就是界面过渡的地方是线性过渡的，而不是直接突变的。

Volumetric Smoothing

通过相邻网格体积分数的平均值来使体积分数比较平滑。启用此选项后，可以单击“Smooth”，对整个域中的体积分数进行平滑。

Smoothing Relaxation Factor

和Volumetric Smoothing搭配使用的，用来控制体积分数的平滑程度。在0（无平滑）和1（最大平滑）之间。

Ø 第二部分：

Vaule：需要修改物理量的值，在本例即1，也就是将water的体积分数修改为1。也可以通过表达式来定义，详细可参考文章：七十一、Fluent表达式进阶实例

Use Field Function：通过Field Function的形式来确定修改的物理量。就是对一些物理量进行计算，比如动压=1/2*密度*速度^2。一般不需要这样设置。

Field Function：勾选Use Field Function后可用，选择通过Field Function定义的场函数。比如下图定义的动压

Patch界面就会出现刚才定义的场函数dy-pre

Ø 第三部分：

Zones to Patch：选择需要patch的zone计算域，当存在多个计算域时，需要对某一个计算域进行patch，可以在此处选择。比如我们可以将蓄水池单独划分成一个计算域，那么这里就可以选择这个计算域。但是如果没有单独划分计算域，这个不需要进行选择。

Registers to Patch：选择需要patch的Registers区域。Registers to Patch和Zones to Patch只能选择一个。Registers区域是指通过Fluent单独定义一个区域。这样可以在不划分计算域的情况下，仍然mark一部分区域。

Registers区域的具体操作可参考文章：五十四、Fluent网格自适应详细操作

本例需要mark的区域如下图

点击save/display后可看到被标记的区域。详细操作参考文章五十四、Fluent网格自适应详细操作

回到patch界面，Registers to Patch会出现刚才定义的区域pool。

点击patch后，可在后处理查看体积分数云图，满足了我们的初始要求。

2.1 UDF初始化概念

Patch操作可以辅助标准初始化，给标准初始化打个补丁。但并不能满足所有的要求。有些时候我们的初始物理场并不是打个补丁那么简单。

比如我们知道温度随着海拔高度而降低，此时温度场和高度有关，也就是和y轴坐标有关。无论使用标准初始化还是patch操作都比较难初始化这样的温度场。当然还有更加复杂的符合你的实际情况的初始化场。这时候就需要用UDF来完成初始化。

2.2 DEFINE_INIT 初始化宏

DEFINE_INIT (name, d)只有两个参数，其用法和ADJUST宏类似，参考文章五十八、Fluent UDF调节宏ADJUST

a. name:DEFINE_INIT宏的名称，可以是任意的

b. d：计算域的指针。对于多相流来说，d指针是指向混合域的。由于没有传递cell和thread，因此为了对网格物理量进行操作，需要对计算域d下的线程thread和thread下的网格cell进行遍历。可参考文章：

c. 此函数无返回值

d. DEFINE_INIT函数每次初始化执行一次，只要选择初始化后，会自动执行。

举个例子：让温度场是y轴坐标的函数

T=273+20*y

2.3 加载DEFINE_INIT

编译型UDF界面如下图，上面有两个框Source Files和Header Files，Source Files表示源文件，就是编写好的UDF文件；

Header Files表示头文件，只有当UDF很复杂，为了使UDF模块化才需要从这里导入头文件。UDF自带了很多头文件如udf.h，但是这些头文件不需要从这里导入。

首先点击Add，选中编写好的UDF后导入，然后点击Build，如果UDF没有问题，则不会出现任何报错信息（只要控制界面有error，则说明有问题）。

在没有报错的前提下，点击Load，则UDF加载成功。关于UDF报错问题，建议大家看看文章四十九、五十和五十一。如果没有报错，控制台应该会显示下面的信息，其中就有各种DEFINE宏的name

和ADJUST宏类似，DEFINE_INIT需要hook使用。如果没有hook，即使加载成功，也不能调用。

点击Function Hooks，会弹出所有需要hooks界面

下面的图中包含很多宏，即当使用这些DEFINE宏时，都必须hook才能正常使用。比如DEFINE_EXECUTE_AT_END、DEFINE_INIT等，对于DEFINE_INIT宏，需要先点击Initialization宏的Edit进行设置界面

选中编写好的UDF宏名称，点击Add，宏名称将从左栏转入到右栏，单击OK，则表示hook成功。

hook成功后，我们还是使用刚才的例子，打开能量方程，进入初始化界面，点击标准初始化

查看温度云图是否按照UDF的方式初始化成功

温度云图

X=2.5m处温度曲线图

初始化成功，这里提供本文所需的所有文件，包括mesh、cas、dat和udf文件等

下载链接：见附件

来源：Fluent学习笔记