FLUENT中并行UDF编程案例详解

1 前言

当计算网格数量巨大时，如果还用串行计算的话，可以把人耗死。此时用并行计算可以显著节省时间，笔者在实际应用中深有体会。同样一个案例（网格数量约200万），串行计算大约10秒钟迭代一次，而改用25核并行计算，约2秒钟迭代一次。

其实在我看来，模拟计算一定程度上比的就是计算机性能。特别当遇到网格数量巨大，且物理模型复杂的计算案例，没有好的工作站或者服务器，可以说基本没办法承担工作。

并行计算的的基本思想为：在并行计算时，FLUENT将原先的计算网格划分为若干个子区域，并将各个子区域分配给不同的计算单元执行计算工作，也叫计算节点（compute node），原先的计算网格也叫主节点（host），主节点和计算节点之间可以进行数据传递。host不存储网格数据，因此不能进行单元循环，在一些计算中可能会出现非物理解，比如分母为零。因此需要host与compute node之间的数据传递才可以进行计算。

当在并行计算中采用UDF时，可能需要对程序进行适应性修改，比如对于那些需要进行全局求和、求最小值、求最大值或者需要对相邻计算节点数据进行计算的程序，官方归纳如下：

今天我们以DEFINE_ON_DEMAND这个宏为例做一些讲解，希望对大家有所帮助，我个人本身也在学习过程中，不能说已经完全掌握了。

完成今天的案例，需确保你的计算机安装好了VS，并且FLUENT可以对UDF成功编译。如果不行，请自行上网搜索别人的经验反馈，可能没有普适性的解决办法，我的电脑是64位，VS是2010版，FLUENT是V19.0。

小贴士：用过FLUENT 19.0版本的读者可能会发现一个问题，即使我们选择串行求解器，还是会默认进入并行求解器。如果要进行串行计算，按如下方法可以实现：选择并行求解器，并将处理器数量设置为0就可以了，见如下截图

2 问题描述

我们建立一个10m×10m的二维平面域，网格如下。我们编写DEFINE_ON_DEMAND宏，用以求解计算域的体积。很显然，计算域的体积应该是100m3。

3 计算结果

3.1 串行UDF，串行计算

未修改的UDF如下，这是一个适用于串行求解器的程序，读者应该很熟悉，我们采用编译方式进行定义，首先进行串行计算。

#include"udf.h"#include"prop.h"#include"mem.h"#include"math.h"#include"stdio.h"DEFINE_ON_DEMAND(get_volume){Domain *domain=Get_Domain(1);real volume=0;real vol_tot=0;Thread *t;cell_t c;thread_loop_c(t,domain){begin_c_loop(c,t){  volume=C_VOLUME(c,t);  vol_tot+=volume; }end_c_loop(c,t)}Message("\n The total volume is %g\n",vol_tot);}

   程序执行结果如下，计算域体积为100m3。

3.2 串行UDF，并行计算

还是采用上面的串行UDF进行编译定义，但是用并行计算，我的电脑是6核，并行求解器调用4核，如下图。

程序执行结果如下，我们可以看到出现了5个结果，其中第一个为0，这是从host中获取的结果，由于host不存储数据，因此为0，如果我们的UDF程序将体积作为了分母（比如求体积加权平均），则会出现非物理解，读者可以自行尝试。另外的4个结果来自compute node，四个值相加为110.125m3，与实际值相比存在10%的误差，关于误差我们后面讨论。

3.3 并行UDF，并行计算

接下来我们将之前的串行UDF进行适应性修改，增加几行语句（粗斜体部分），修改后的程序如下。具体如何根据自己的计算需求增加语句，请读者自行研究UDF帮助文档，里面写得非常详细，可以当作设计手册来看待。本案例增加的语句我将按照自己的理解进行通俗解释，若有不当请海涵。首先，“vol_tot=PRF_GRSUM1(vol_tot)”中的宏PRF_GRSUM1(x)返回的值是所有compute node的x的和，这里指的是4个compute node各自计算的体积之和。

“node_to_host_real_1(vol_tot)”中的宏node_to_host_real_1(x)将compute node-0的数据x传递给host，这里指的是compute node-0存储的4个compute node各自计算的体积之和，也就是总体积。

“#if !RP_NODE  #endif”将执行范围限定于串行或者host相关。

#include"udf.h"#include"prop.h"#include"mem.h"#include"math.h"#include"stdio.h"DEFINE_ON_DEMAND(get_volume){Domain *domain=Get_Domain(1);real volume=0;real vol_tot=0;Thread *t;cell_t c;thread_loop_c(t,domain){begin_c_loop(c,t){  volume=C_VOLUME(c,t);  vol_tot+=volume; }end_c_loop(c,t)}vol_tot=PRF_GRSUM1(vol_tot);node_to_host_real_1(vol_tot);#if !RP_NODEMessage("\n The total volume is %g\n",vol_tot);#endif}

程序执行结果如下，可以看出只有一个结果110.125 m3（来自host或者串行求解器），并且等于串行UDF并行计算结果之和。

对于这10%的误差，我通过网格自适应，将网格进行数次加密后，误差越来越小。为何有这误差，我尚未明白。

3.4 小结

对于本案例的并行计算，我通俗地理解为：host相当于老板，compute node相当于工人，老板将工作（计算）分配给若干工人，每个人分到的工作有老板决定。

老板当然不用亲自干活，因此如果想直接从老板那里获得工作相关内容，或者需要老板分派一些额外的命令就需要采用既定的渠道（宏）在老板和工人之间进行信息传递。而对于老板，只需要利用好各个工人的工作成果，具体要怎么利用（UDF）由老板的客户决定，而我们就是这些客户了。

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