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Fluent UDF【3】：环境配置

发表于 2019-10-22  |  分类于 后端  |  没有评论

windows操作系统下UDF的编译需要借助Visual Studio中的C编译器。因此若要想编译UDF，则必须事先配置好编译环境。

Visual Stuido(后面简称VS)是微软开发的一款程序设计IDE，可以用于windows环境下计算机软件的开发。
以下内容来自百度百科：
Microsoft Visual Studio（简称VS）是美国微软公司的开发工具包系列产品。VS是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、集成开发环境(IDE)等等。所写的目标代码适用于微软支持的所有平台，包括Microsoft Windows、Windows Mobile、Windows CE、.NET Framework、.NET Compact Framework和Microsoft Silverlight 及Windows Phone。
Visual Studio各版本列表：
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经常有小伙伴询问与Fluent搭配的VisualStudio版本，其实并不存在什么版本搭配的问题，一般情况下只要VS能够正常安装及使用，通过环境设置后都可以作为UDF的编译器。
Fluent12.0之后的版本推荐使用VS2005之后的版本。推荐VS2010版本，我Fluent 18.0搭配使用的是VS2015版本，从未发现编译器方面的问题。

udf.bat文件

12.0之后版本的Fluent环境变量配置依赖于UDF.bat文件。如下图所示。
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通过勾选选项Set up Compilation Environment for UDF，之后设置udf.bat文件即可完成配置。
这里来看看udf.bat文件的内容。打开udf.bat文件可以看到其实该文件是一个设置环境变量的工作。
最重要的是下面几行，我这里以visual studio 2015为例。

该宏以参数作为返回值，因此需要事先通过real x[ND_ND]定义参数x。程序片段如：

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{
    cell_tc;
    real x[ND_ND];
    real y;
    thread_loop_c(t,d)
    {
        begin_c_loop_all(c,t)
        {
            C_CENTROID(x,c,t);
            y = x[1];
            ...
 
         }
    }
}

2 C_VOLUME

C_VOLUME宏用于获取网格单元体积。

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{
    real vol;
    vol = C_VOLUME(c,t);
}

3 C_NNODES

C_NNODES宏用于获取单元体内节点数量。

4 C_NFACES

C_NNODES宏用于获取单元体内网格面的数量。

计算单元内部物理量的梯度的宏，通常以_G为后缀，如计算温度梯度C_T_G。

注意：梯度变量仅在相关变量被求解后才可用。

如：当定义了能量源项后，UDF中能够利用宏C_T_G访问单元温度，然而却不能使用C_U_G宏访问x方向速度梯度。主要 原因在于求解器为了考虑计算效率，在求解时从内存中去除了不被使用的数据。如果一定要保留这些梯度数据，可以使用TUI命令solve/set/expert，之后在系统提示Keep temporary solver memory from being freed?后输入yes。这样的话所有的梯度数据都会被保留，但是计算过程中会消耗更多的内存。

可以使用此方式调用梯度宏：

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real xtG = C_T_G(c,t)[0];

梯度访问宏包括：

注意：

• C_P_G只能用于压力基求解器。

• C_YI_G只能用于密度基求解器，若要在压力基中使用此宏，则需要设置’species/save-gradients?为#t

5 物理量参数范围

可以通过宏访问网格单元内的物理量参数，如获取密度、压力、速度等。这些宏在头文件mem.h中定义。

6 梯度计算宏

• 设置visualstudio的安装路径
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  通常在udf.bat文件中只需要修改这一行就可以了。我将visual studio 2015的安装路径赋值给MSVC_DEFAULT，如图直接修改就行。
  分析该批处理文件，意思是若能在该文件路径下找到vcvarsall.bat文件，则设置MSCV值为MSVC_DEFAULT，否则转到msvc_env140。一般情况下只要在安装Visual Studio的时候选择了安装C++的话，这文件都会存在。
  真正实现c文件编译的工作是在vcvarsall.bat文件中指定的。该文件中的内容不要动。

  总结

  UDF编译环境配置其实非常简单，只需要修改UDF.bat文件即可，实际上只需要将本机Visual Studio的安装路径写进去就可以了。

• Fluent UDF【5】：第一个UDF

  发表于 2019-10-02  |  分类于 后端  |  没有评论

  这里以一个简单的初始化案例来描述UDF的使用过程。

  Fluent中提供了全域初始化以及局部Patch功能。对于整体区域的全局初始化可以采用starndard及hybrid方法进行初始化，指定各种物理量的初始分布。而对于计算域中的局部区域初始化，则可以通过Patch功能来实现。
  在使用Patch方法时，需要实现对要进行Patch的区域进行标记。选择Mark/Adapt Cells→Region...可弹出区域定义对话框。
  
  可以在弹出的对话框中设置几何条件来Mark区域。
  
  然而在此对话框中可定义的形状类型只有三种：Quad、Circle或Cylinder，在3D模型中对应的是Hex、Sphere以及Cylinder。对于更复杂的模型似乎无能为力。此时可以借助UDF来解决问题。

  1 案例描述

  如下图所示的矩形区域为计算区域，其初始温度为300K。计算模型尺寸如图所示。
  
  图中红色部分为要进行初始化处理的椭圆区域，其初始温度为500K。

  2 网格

  网格如图所示。

  3 编写UDF

  对于这种椭圆形区域的初始化，只能采用UDF来实现。利用DEFINE_INIT宏来实现这种区域的标记工作。
  本案例中椭圆方程为:
  $$
  frac{(x-0.05)^2}{0.03^2}+frac{(x-0.03)^2}{0.015^2} =1
  $$
  因此可编写UDF如下。

  4 编译UDF

  利用User Defined标签页下的Function→Compiled…，Fluent软件会弹出UDF编译对话框。
  
  在弹出的对话框中利用Add…按钮添加UDF源文件，点击Build按钮进行编译，并点击按钮Load加载UDF。
  
  本案例也可以采用解释的方式运行。

  5 Hook UDF

  UDF编译完成后，需要将UDF加载到Fluent中。这部分工作可以通过相应的GUI来实现。
  DEFINE_INIT宏需要在User Defined标签页下的Funcition Hooks…中进行加载。
  
  选择此按钮后打开UDF加载对话框。
  

  6 查看结果

  在查看初始化结果之前，需要开启相应的模型。由于本案例初始化的是温度变量，所以必须首先开启能量方程。
  
  之后进行初始化。
  
  初始化完毕后可以查看温度云图分布，如下图所示。
  
  可以看到椭圆形区域初始温度设置为500K。
  按同样的道理，可以初始化任何形状的区域，只要这些区域可以用数学函数来表达。

• Fluent UDF【11】：单元数据访问宏

  发表于 2019-10-17  |  分类于 人工智能  |  没有评论

  自己选的主题，哭着也要更新完。

  单元数据要比节点数据复杂得多。与节点数据仅仅存储节点坐标不同，单元数据中不仅包含单元中心节点等，还包含有各种物理量数据。单元数据访问宏返回网格单元内的信息。大部分的单元宏在头文件metric.h 中定义，这类的宏均以C_作为前缀。

  宏C_CENTROID用于获取网格单元中心坐标。

• 宏调用形式：C_CENTROID(x,c,t)
• 宏参数：real x[ND_ND], cell_t c, Thread *t
• 数据返回：以参数x传址调用返回
• 宏调用形式：C_VOLUME(c,t)
• 宏参数：cell_t c, Thread *t
• 数据返回：返回real值
• 调用形式：C_NNODE(c,t)
• 参数：cell_t c, Thread *t
• 数据返回：返回int类型的节点数量
• 调用形式：C_NFACES(c,t)
• 参数：cell_t c, Thread *t
• 数据返回：返回int类型的网格面数量

计算单元内部物理量的梯度的宏，通常以_G为后缀，如计算温度梯度C_T_G。

注意：梯度变量仅在相关变量被求解后才可用。

如：当定义了能量源项后，UDF中能够利用宏C_T_G访问单元温度，然而却不能使用C_U_G宏访问x方向速度梯度。主要 原因在于求解器为了考虑计算效率，在求解时从内存中去除了不被使用的数据。如果一定要保留这些梯度数据，可以使用TUI命令solve/set/expert，之后在系统提示Keep temporary solver memory from being freed?后输入yes。这样的话所有的梯度数据都会被保留，但是计算过程中会消耗更多的内存。

可以使用此方式调用梯度宏：

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real xtG = C_T_G(c,t)[0];

梯度访问宏包括：

注意：

• C_P_G只能用于压力基求解器。

• C_YI_G只能用于密度基求解器，若要在压力基中使用此宏，则需要设置’species/save-gradients?为#t
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Fluent UDF【13】：循环操作宏

发表于 2019-10-15  |  分类于 后端  |  没有评论

UDF使用过程中，经常要通过循环遍历的方式对数据进行操作，如设置边界条件时，需要给每一个边界网格面赋值，此时需要通过逐层循环的方式访问每一个边界网格面。Fluent UDF中提供了众多循环来实现此功能。这些宏包括：

• 区域中单元循环thread_loop_c
• 区域中网格面循环thread_loop_f
• 单元中单元循环begin...end_c_loop
• 面中面循环begin...end_f_loop
• 单元中面循环c_face_loop
• 单元中的节点循环c_node_loop
• 单元面中的节点循环f_node_loop

利用thread_loop_c在指定domain中遍历所有的网格单元（cell）。使用方式非常简单，如下：

遍历区域中的网格面

利用宏thread_loop_f来遍历domain中的所有网格面（face)。与遍历网格单元类似的使用。如：

遍历网格单元集合中的所有单元

使用宏begin_c_loop及end_c_loop对所给定的网格单元集合中的所有单元进行遍历。

使用方式：

例如下面程序计算c_thread中的所有单元的温度和：

遍历面集合中的所有面

利用宏begin_f_loop与end_f_loop来遍历给定face集合中的所有网格面。

使用方式：

以下例程计算给定网格几何f_thread上的所有网格面上温度总和。

遍历一个网格单元上的所有面

利用宏c_face_loop来实现遍历网格单元上的所有网格面。如：

遍历网格单元中的节点

利用宏c_node_loop来实现遍历网格单元中的所有网格节点。

遍历网格面中的所有节点

利用宏f_node_loop来实现此目的。

Fluent UDF【14】：向量操作宏

发表于 2019-10-04  |  分类于 后端  |  没有评论

CFD计算中存在众多的向量，典型的如速度、角速度等。向量的运算要比标量运算复杂，UDF提供了众多的向量操作宏用于向量的运算。

对于这些向量操作宏，UDF头文件中对这些宏的名称进行了区分。如宏名称中包含v，则表示为向量，S表示为标量，D表示为向量的三个分量序列，在2D模型中，第三个分量被忽略。矢量函数不遵循括号、指数、乘法、除法、加法和减法（PEMDAS）的运算顺序约定。 取而代之的是利用下划线（_）符号将操作数分组成对，以便在成组之前对元素执行操作。

UDF中使用较多的ND操作宏包括：ND_ND、ND_SUM及ND_SET。

1.1 ND_ND宏

ND_ND为常数，在2D模型中其值为2，在3D模型中其值为3。

注意：ND_ND宏的值不可以改变。如下语句ND_ND=1是错误的。在实际应用过程中，把ND_ND当做是数字。

如下语句定义了一个矩阵：

1.2 ND_SUM宏

ND_SUM宏用于计算其参数的和。

如代码：

在2D模型中，其等效于：

而在3D模型中，其等效于：

1.3 ND_SET宏

ND_SET宏用于设置其参数。如：

在2D模型中，其等效为：

在3D模型中，其等效为：

2 NV宏

NV宏与ND宏类似，只不过NV宏操作的是向量。

2.1 NV_V宏

NV_V宏进行向量赋值操作。如代码：

其等效于：

宏中间的操作符可以是+=，此时则换为：

2.2 NV_VV宏

NV_VV宏能实现向量元素操作。如代码：

则其等效于：

2.3 NV_V_VS宏

此宏可用于向量与标量的乘积运算。如：

等效于：

2.4 NV_VS_VS宏

矢量与标量的混合运算。如：

此语句等效于：

3 向量操作宏

向量操作宏可用于向量的求模运算、点乘与叉乘运算。

3.1 NV_MAG及NV_MAG2

这两个宏用于求取向量的模及模的平方。如宏NV_MAG示例：

等效于：

而NV_MAG2则计算向量的模的平方。如：

等效于：

3.2 NV_DOT宏

NV_DO宏用于向量的点积。可以有多种用法，如下示例：

3.3 向量叉乘

向量叉乘比较麻烦。如下示例：