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UDF中文帮助文档.pdf
UDF中文帮助
第一章 介绍
第二章 UDF的C语言基础
第三章 写UDF
3.10 UDF任务
第四章 DEFINE宏
4.2 通用解算器 DEFINE宏
4.2.1 DEFINE_ADJUST
4.2.2 DEFINE_INIT
4.2.3 DEFINE_ON_DEMAND
4.2.4 DEFINE_RW_FILE
4.3 模型指定 DEFINE宏
4.3.5 DEFINE_PROFILE
4.4 Multiphase DEFINE Macros
4.5 DPM DEFINE Macros
第五章 使用宏存取FLUENT解算器变量
第六章 工具
第七章 编译与链接
第八章 在FLUENT中激活你的UDF
第九章 用户自定义标量及用法
第 10 章 应用举例
第一章. 介绍
本章简要地介绍了用户自定义函数(UDF)及其在 Fluent 中的用法。在 1.1 到 1.6 节中我
们会介绍一下什么是 UDF；如何使用 UDF，以及为什么要使用 UDF，在 1.7 中将一步步的
演示一个 UDF 例子。
1.1 什么是 UDF？
1.2 为什么要使用 UDF？
1.3 UDF 的局限
1.4 Fluent5 到 Fluent6 UDF 的变化
1.5 UDF 基础
1.6 解释和编译 UDF 的比较
1.7 一个 step-by-stepUDF 例子
1.1 什么是 UDF？
用户自定义函数，或 UDF，是用户自编的程序，它可以动态的连接到 Fluent 求解器上
来提高求解器性能。用户自定义函数用 C 语言编写。使用 DEFINE 宏来定义。UDF 中可使
用标准 C 语言的库函数，也可使用 Fluent Inc.提供的预定义宏，通过这些预定义宏，可以获
得 Fluent 求解器得到的数据。
UDF 使用时可以被当作解释函数或编译函数。解释函数在运行时读入并解释。而编译
UDF 则在编译时被嵌入共享库中并与 Fluent 连接。解释 UDF 用起来简单，但是有源代码和
速度方面的限制不足。编译 UDF 执行起来较快，也没有源代码限制，但设置和使用较为麻
烦。
1.2 为什么要使用 UDF？
一般说来，任何一种软件都不可能满足每一个人的要求，FLUENT 也一样，其标准界
面及功能并不能满足每个用户的需要。UDF 正是为解决这种问题而来，使用它我们可以编
写 FLUENT 代码来满足不同用户的特殊需要。当然，FLUENT 的 UDF 并不是什么问题都可
以解决的，在下面的章节中我们就会具体介绍一下 FLUENT UDF 的具体功能。现在先简要
介绍一下 UDF 的一些功能：
定制边界条件，定义材料属性，定义表面和体积反应率，定义 FLUENT 输运方程
中的源项，用户自定义标量输运方程（UDS）中的源项扩散率函数等等。
在每次迭代的基础上调节计算值
方案的初始化
（需要时）UDF 的异步执行
后处理功能的改善
FLUENT 模型的改进（例如离散项模型，多项混合物模型，离散发射辐射模型）
由上可以看出 FLUENT UDF 并不涉及到各种算法的改善，这不能不说是一个遗憾。当
然为了源代码的保密我们还是可以理解这样的做法的。其实，如果这些代码能够部分开放，
哪怕就一点点，我想 FLUENT 会像 LINUX 一样发展更为迅速，使用更为广泛。遗憾的是，
从目前来看，这只是一种幻想。什么时候中国人可以出自己的精品？
1.3 UDF 的局限
尽管 UDF 在 FLUENT 中有着广泛的用途，但是并非所有的情况都可以使用 UDF。UDF
并不能访问所有的变量和 FLUENT 模型。例如，它不能调节比热值；调节该值需要使用求
解器的其它功能。如果您不知道是否可以用 UDF 解决某个特定的问题，您可以求助您的技
术支持。
1.4 Fluent5 到 Fluent6UDF 的变化
如果你有 FLUENT5 的 UDF 编程经验，请注意在 FLUENT6 种的下列变化：
• FLUENT6 中加入了大量的通用多相模型。When one of these general multiphase
models is enabled, storage must be set aside for the mixture as well as the individual
phases. This functionality is manifested in the code through the use of additional thread
and domain data structures. Consequently, some predefined macros have been added that
allow access to data contained within mixture-level and phase-level domain and thread
structures. See Section 3.11 for details on writing UDF for multiphase applications.
If you have a FLUENT 5 UDF with an external domain declaration that you want to use
in FLUENT 6, then the extern statement must be replaced by a call to the Get_Domain
utility and assignment to a Domain pointer as shown below. The Fluent-provided utility,
Get_Domain(1), returns the pointer to the mixture-level domain. See Section 6.5.1 for
more details on Get_Domain.
Example
extern Domain *domain;
DEFINE_ON_DEMAND(my_udf)
{
...
}
is to be replaced by
DEFINE_ON_DEMAND(my_udf)
{
Domain *domain;
domain = Get_Domain(1);
...
}
The macro C_VOF accesses volume fraction values from the FLUENT solver. C_VOF(c,
pt[i]) has two arguments, c and pt[i]. c is the cell identifier. pt[i] is the pointer to the
corresponding phase-level thread for the ith phase, where i is the phase_domain_index.
For example, C_VOF(c,pt[i]) can be used to return the volume fraction of the ith phase
fluid at cell c. The pointer pt[i] can also be retrieved using THREAD_SUB_THREAD,
discussed in Section 6.5.4, using i as an argument.
• For compiled UDF, the makefile called Makefile.udf that was provided in previous
FLUENT releases has been renamed to makefile.udf2. See Section 7.3.2 for more
details.
• For multiphase flow problems, you will need to supply your own user-defined scalar flux
•
function instead of using the default function provided by FLUENT.
DEFINE_PROPERTY is to be used to define UDF for particle or droplet diameter for the
mixture model, previously the Algebraic Slip Mixture Model (ASMM), instead of the
DEFINE_DRIFT_DIAM macro.
1.5 UDF 基础
•
•
•
•
•
1.5.1 输运方程
1.5.2 单元（Cells）,面，区域（Zones）和线（Threads）
1.5.3 操作
1.5.4 求解器数据
1.5.5 运行
1.5.1 输运方程
FLUENT 求解器建立在有限容积法的基础上，这种方法将计算域离散为有限数目的控
制体或是单元。网格单元是 FLUENT 中基本的计算单元，这些单元的守恒特性必须保证。
也就是说普通输运方程，例如质量，动量，能量方程的积分形式可以应用到每个单元：
(1.5.1)
此处， 是描述普通输运数量的变量（a general transportable quantity）,根据所求解的输运
方程它可取不同的值。下面是在输运方程中可求解的 的子集。
Transport Equation
continuity
x momentum
y momentum
z momentum
energy
Variable for
1
velocity ( u)
velocity ( v)
velocity ( w)
enthalpy ( h)
turbulent kinetic energy
k
turbulent dissipation rate
species transport
mass fraction of species ( Y i)
守恒与否需要知道通过单元边界的通量。因此，需计算出单元和面上的属性值（properties）。
1.5.2 单元（Cells）,面，区域（Zones）和线（Threads）
单元和单元面被组合为一些区域（zones），这些区域规定了计算域（例如，入口，出
口，壁面）的物理组成（physical components）。当用户使用 FLUENT 中的 UDF 时，用户
的 UDF 可调用流体区域或是边界区域的计算变量（solution variables）。UDF 需要获得适
当的变量，比如说是区域参考（a zone reference）和单元 ID，以便标定各个单元。
区域（A zone）是一群单元或单元面的集合，它可以由模型和区域的物理特征（比如入
口，出口，壁面，流体区域）来标定。例如，一些被指定为面域（a face zone）的单元面可
以被指定为 velocity-inlet 类型，由此，速度也就可指定了。线（A thread）是 FLUENT 数
据结构的内部名称，可被用来指定一个区域。Thread 结构可作为数据储存器来使用，这些
数据对于它所表示的单元和面来说是公用的（The Thread structure acts as a container for data
that is common to the group of cells or faces that it represents）。
1.5.3 操作
多数的 UDF 任务需要在一个线的所有单元和面上重复执行。比如，定义一个自定义轮
廓函数（a custom profile function）则会对一个面线上（in a face thread）的所有单元和面进
行循环。 为了用户方便， Fluent Inc.向用户提供了一些循环宏工具（looping macro utilities）
来执行对单元，面，节点（nodes）和线（threads）的重复操作。例如，单元循环宏（Cell-looping
macros ）可以对给定单元线上的所有单元进行循环操作（loop over cells in a given cell thread
allowing access to all of the cells）。 而面循环宏（Face-looping macros）则可调用所有给定
面线（a given face thread）的面。Fluent 提供的循环工具请见 Chapter 6。
在某些情况下，UDF 需要对某个变量操作，而这个变量恰恰又不能直接被当作变量来
传递调用。比如，如果用户使用 DEFINE_ADJUST 宏来定义 UDF，求解器将不会向它传递
thread 指针。这种情况下，用户函数需要用 Fluent 提供的宏来调用线指针（thread pointer）。
见 Chapter 6。
1.5.4 求解器数据
通过 FLUENT 用户界面将 C 函数（它已被编译和连接）连接到求解器上可实现调用求
解器变量。一旦 UDF 和求解器正确连接，无论何时，函数都可调用求解器数据。这些数据
将会被作为用户变量自动地传递给 UDF。注意，所有的求解器变量，不管是求解器传递给
UDF 的，还是 UDF 传递给求解器的，都使用 SI 单位。
1.5.5 运行
UDF 将会在预定时刻被 FLUENT 调用 。但是，也可对它们进行异步执行，使用
DEFINE_ON_DEMAND 宏，还可在需要时（on demand）执行。详情请见 4.2.3
1.6 解释和编译 UDF 的比较
编译 UDF 和 FLUENT 的构建方式一样。脚本 Makefile 被用来调用 C 编译器来构建一
个当地目标代码库（a native object code library）。目标代码库包含高级 C 语言源代码的机器
语言翻译。代码库在 FLUENT 运行时由“动态加载”（``dynamic loading''）过程连接到
FLUENT 上。连接后，与共享库的联系（the association with the shared library）将会被保存
在用户的 case 文件中,这样，当 FLUENT 以后再读入 case 文件时，此编译库将会与 FLUENT
自动连接。这些库是针对计算机的体系结构和一定版本的 FLUENT 使用的。所以，当
FLUENT 更新，或计算机操作系统改变，或是在不同类型的机器上运行时，这些库必须重
新构建。
而解释 UDF 则是在运行时，直接从 C 语言源代码编译和装载（compiled and loaded
directly from the C source code）。在 FLUENT 运行中，源代码被编译为中介的独立于物理
结构的使用 C 预处理程序的机器代码（an intermediate, architecture-independent machine
code）。当 UDF 被调用时，机器代码由内部仿真器（an internal emulator），或注释器
（interpreter）执行。注释器不具备标准 C 编译器的所有功能；它不支持 C 语言的某些原理
（elements）。所以，在使用 interpreted UDF 时，有语言限制（见 3.2）。例如，interpreted
UDF 不能够通过废弃结构（dereferencing structures）来获得 FLUENT 数据。要获得数据结
构，必须使用由 FLUENT 提供的预定义宏。另一个例子是 FLUENT interpreter 不能识别指
针数组。这些功能必须由 compiled UDF 来执行。
编译后，用户的 C 函数名称和内容将会被储存在 case 文件中。函数将会在读入 case 文
件时被自动编译。独立于物理结构的代码的外层（This extra layer of architecture-independent
code）可能会导致执行错误（a performance penalty），但却可使 UDF 共享不同的物理结构，
操作系统，和 Fluent 版本。如果运行速度较慢，UDF 不用被调节就可以编译代码的形式（in
compiled mode）运行。FLUENT 中的 compiled 和 interpreted UDF 请见 Chapter 7。
选择 interpreted UDF 或是 compiled UDF 时，注意以下内容：
•
Interpreted UDF
o 对其它平台是便捷的（portable）。
o 可作为（compiled UDF）来运行。
o 不需 C 编译器。
o 比 compiled UDF 慢 。
o 需要较多的代码。
o 在使用 C 语言上有限制。
o 不能与编译系统或用户库（compiled system or user libraries）连接。
o 只能使用预定义宏来获得 FLUENT 结构中的数据。（见 Chapters 5 和 6）。
• Compiled UDF
o 比 interpreted UDF 运行快。
o 在使用 C 语言上不存在限制。
o 可用任何 ANSI-compliant C 编译器编译。
o 能 调 用 以 其 他 语 言 编 写 的 函 数
(specifics are system- and
compiler-dependent)。
o 机器物理结构需要用户建立 FLUENT (2D or 3D) 的每个版本的共享库（a
shared library for each version of FLUENT (2D or 3D) needed for your machine
architecture）。
o 如果包含有注释器（interpreter ）不能处理得 C 语言元素，则不能作为
（interpreted UDF ）运行。
总的来说，当决定使用那种类型的 UDF 时：
• 使用 interpreted UDF 作为简单的函数
• 使用 compiled UDF 作为复杂的函数，这些函数
o 对 CPU 有较大要求（例如每次运行时，在每个单元上均须调用的属性 UDF
（a property UDF）。
o 需要使用编译库（require access to a compiled library）。
1.7 一个 step-by-stepUDF 例子
编辑 UDF 代码，并且在用户的 FLUENT 模型中有效使用它，须遵循以下七个基本步骤：
1. 定义用户模型。
2. 编制 C 语言源代码。
3. 运行 FLUENT ，读入，并设置 case 文件。
4. 编译或注释（Compile or interpret）C 语言源代码。
5. 在 FLUENT 中激活 UDF。
6. 开始计算。
7. 分析计算结果，并与期望值比较。
在开始解决问题前，用户必须使用 UDF 定义希望解决的问题（Step 1）。例如，加入
用户希望使用 UDF 来定义一个用户化的边界条件（a customized boundary profile ）。用户
首先需要定义一系列数学方程来描述这个条件。
接下来用户需要将这些数学方程（概念设计，conceptual design）用 C 语言写成一个函
数（Step 2）。用户可用文本编辑器来完成这一步。以.c 为后缀名来把这个文件保存在工作
路径下。
写完 C 语言函数后，用户即可运行 FLUENT 并且读入或设置 case 文件（Step 3）。对
Ｃ语言源代码进行注释，编译，和调试（interpret, compile, and debug），并在 FLUENT 中
激活用户函数 （Step 5）。最后， 运行计算（Step 6），分析结果并与期望值比较。（Step
7）。根据用户对结果的分析，可将上述整个过程重复几次。具体如下。
Step 1: 定义用户模型
生成和使用 UDF 的第一步是定义用户的模型方程。
如图 Figure1.7.1 所示的涡轮叶片。模拟叶片周围的流场使用了非结构化网格。计算域由底
端的周期性边界（ a periodic boundary on the bottom ）延伸到顶端的相同部分（an identical
one on the top），速度入口在左边，压力出口在右边。
Figure 1.7.1: The Grid for the Turbine Vane Example
文中对入口 x 速度为常数分布和抛物线分布的流场进行了比较。分段线性的分布可由边
界场选项得到（the application of a profile using a piecewise-linear profile is available with the
boundary profiles option），而多项式分布则只能使用用户自定义函数得到。
进口速度为常数（20 m/s）的结果如图１．７．２和１．７．３所示。当流动沿着涡轮叶片
进行时，初始速度场被改变了。
Figure 1.7.2: Velocity Magnitude Contours for a Constant Inlet x Velocity
Figure 1.7.3: Velocity Vectors for a Constant Inlet x Velocity
假定现在要设涡轮叶片入口速度 x 不是一常数值，其分布如下
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