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Fluent极客世界：自定义功能（UDF，jou等）强大揭秘

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ANSYS 在开发Fluent时，给这个软件留下来了强大的二次开发、耦合仿真、自定义求解的功能，在本篇文章里将对这些功能做一简单的概述，由于笔者水平有限，还没有全部掌握这些模块的应用，本文将随笔者的使用经验积累长期更新。

掌握这些功能将可以使你在求解复杂问题条件时如鱼得水，虽然Fluent不如openFOAM 开放，很多自定义功能实现起来并不简单，但是对于一般的CFD 使用者而言，仍有很大的开发空间可去探索

第一部分：功能介绍 & 可解决的问题

1. UDF

Fluent 最常用的用户自定义功能，基于C语言，Fluent为用户提供了非常丰富的宏，从材料物性、模型修改、边界条件控制、自定义后处理变量等多方面，可选择多种触发时机。与expression 相比，在边界条件设置上有功能重叠的部分。

自定义材料物性
自定义边界条件：非均匀入口速度、非均匀热流密度
自定义模型的源项：实现闪蒸
自定义动态入口：随时间、求解的变量控制的入口参数

2. Workbench 参数化

参数化建模与参数化设计是Workbench一大亮点，模型中的某个尺寸、Fluent中的某个边界条件等几乎所有可作为变量的“数字”都是设为一个“参数”，在workbench内如果是workflow建立的仿真流程，软件就已经记录了你从建模、划分网格、求解前处理、后处理的所有设置，改变某个参数的值workbench可自动更新仿真流程。配合Workbench的DesignXplorer模块实现单目标和多目标的参数优化设计。

自动化仿真
参数的优化设计

3. jou / scheme语言

Fluent的内置脚本语言，用于实现Fluent的自动化仿真，注意这里的自动化相当于将你在软件上的GUI操作（图形化界面操作）和TUI操作（控制台的命令行）记录为scheme编程语言，在Fluent直接导入脚本可以在几秒内完成需要几分钟的前处理设置，当然由于Fluent允许replace mesh 并保留原有设置不变，有时候脚本并不是必须的。

jou记录GUI操作和TUI命令，相对来说TUI命令兼容性、适用性更好，因为图形化界面过程操作步骤太多容易出错。scheme语言在jou基础上增加了编程语言变量、IO操作、循环判断的功能，更大地扩展了脚本的功能性。

自动脚本：自动更新边界条件、初始化、计算、保存case和date

4. expression表达式/Custom Field Function

Custom Field Function和expression表达式其实是两个东西，但是他们有相似之处，在这里我简单说明。Custom Field Function用于自定义后处理变量，用数学表达式定义新的物理量，可在contour上展示，但无法用于expression。

expression是用于自定义边界条件的数值，如速度、温度等。表达式可包含IF判断、数学函数、时间、迭代次数、物理量参数、平均最大最小函数等，允许这些元素之间的组合，但是要求表达式的最终单位必须是正确的，例如速度的量纲必须为[m/s]

结果导向边界条件：入口参数的值与时间或被求解参数有函数关联
自定义后处理变量：任意面的法向速度

5. ACT 二次开发

Fluent 和Workbench中给开发者预留了API接口，开发者可通过IPython语言调用这些接口，甚至借此开发出图形化界面，类似于谷歌浏览器的插件一样， ACT也可以当成 Ansys 的插件，后人可以直接利用前人开发的仿真插件/仿真模板实现一键仿真。

6. 其他

从网格节点数据自定义python绘图
Fluent小工具：profile文件坐标修改器

第二部分：应用

1. UDF

瞬态求解时，入口温度随出口温度有函数关联

#include "udf.h"

real tin = 293;
DEFINE_PROFILE(tt_profile,t,i)
{
    face_t f;
    begin_f_loop(f,t)
    {
        F_PROFILE(f, t, i) = tin;
    }
    end_f_loop(f,t)
}

DEFINE_EXECUTE_AT_END(execute_at_end)
{
    Domain* d;
    Thread *f_thread;
    face_t f;
	int zone_ID = 7;
    int n=0;
	real temsum=0,avetem=0,ave=tin;
    real flow_time = CURRENT_TIME;
    Message("Last timestep tin value: %g\n", tin);

    d = Get_Domain(1); /* mixture domain if multiphase */
	Thread* thread_name = Lookup_Thread(d, zone_ID);

    begin_f_loop(f, thread_name) /* loops over faces in a face thread */
    {
        temsum = temsum + F_T(f, thread_name);
        n = n + 1;
    }
    end_f_loop(f, thread_name)

    temsum = PRF_GISUM1(temsum);
    n = PRF_GISUM1(n);
    avetem = temsum / n;
    tin = 0.5 * (avetem - 273.15) + 7.5 + 273.15;
    node_to_host_real_1(tin);

    Message("The n value : %d\n", n);
	Message("The average temperature of the outlet surface: %g\n", avetem);
    Message("New tin value: %g  in flowtime %g \n", tin, flow_time);
}

UDF调用外部多层嵌套DLL

Runner：Fluent udf调用外部“动态调用dll”的dll

2. Workbench 参数化

3. jou / scheme语言

录制/使用jou方法

File → Write → Start Journal 输入保存路径和文件名

File → Read → Journal 选择jou文件

自动脚本：自动更新边界条件、初始化、计算、保存case和date

/file/set-tui-version "19.5" 需修改为对应Fluent版本，使用 File → Write → Start Journal 录制脚本输入任意TUI命令会自动输出此命令到 jou 文件；

i1(+ i 1.5) 表示 i 从 1 开始每次加 1.5，>= i 3 表示当>=3时循环停止；

如果由于湍流模型或者其他原因入口边界条件设置字段不同，请自行修改（在命令行根据流程读取出来 no yes 和被修改字段的位置等），其中 inlet 为入口名称；

/solve/iterate 200 表示迭代 200 次（本脚本只适用于稳态计算）；

test-v~a.cas 中 ~a表示v的占位符

(ti-menu-load-string "/file/set-tui-version "19.5"")

(define v 0)

(do ((i  1 (+ i 1.5)))
  ((>= i 3))
  (set! v (+ i))
  (ti-menu-load-string (format #f "/define/boundary-conditions/velocity-inlet inlet no no yes yes no ~a no 0 no no yes 5 10" v))
  (ti-menu-load-string "/solve/initialize/hyb-initialization yes")
  (ti-menu-load-string "/solve/iterate 200")
  (ti-menu-load-string (format #f "/file/write-case-data C:\Users\runrun\Desktop\test-v~a.cas" v))
)

;; 修改：i 区间 ，入口名，迭代次数，保存名称

常用TUI命令

***** IO操作 *****
/file/read-case "C:\Users\runrun\Desktop\***.cas" yes           ——读取case
/file/read-case-data "C:\Users\runrun\Desktop\***.cas" yes   ——读取case和date
/file/write-case "C:\Users\runrun\Desktop\***.cas"                ——输出case
/file/write-case-data "C:\Users\runrun\Desktop\***.cas"       ——输出case和date

/file/replace-mesh "C:\Users\runrun\Desktop\***.msh" yes    ——替换mesh（保留case设置）

***** 初始设置 *****
/mesh/scale 0.001 0.001 0.001                       ——scale网格
/display/mesh-outline                                   ——display网格

***** 模型 *****
/define/models/energy no                           ——关闭能量方程

***** 材料 *****
/define/materials/copy/fluid/water-liquid    ——加入液态水
/define/materials/copy/fluid/water-vapor    ——加入气态水

***** 边界条件 *****
/define/boundary-conditions/list-zones       ——列出边界-类型-材料-属于cell/face
/define/boundary-conditions/copy-bc         ——复制边界条件到另一个面（需要同边界类型）

/mesh/modify-zones/create-periodic-interface                                          ——周期性interface
/define/boundary-conditions/modify-zones/create-periodic-interface       ——周期性interface
/define/boundary-conditions/modify-zones/make-periodic                       ——创建周期性边界

***** 求解 *****
/solve/initialize/hyb-initialization yes            ——混合初始化
/solve/iterate                                               ——设定迭代步数并开始迭代

***** 后处理 *****
/surface/iso-surface/x-coordinate                ——创建iso面（x坐标）
/report/surface-integrals/facet-avg/ inlet outlet () pressure no  ——输出 inlet outlet 压力到控制台
/report/surface-integrals/facet-avg/ inlet outlet () pressure yes .\1.txt no yes ——输出 inlet outlet 压力到1.txt（覆盖）

***** 常规 *****
enter                   ——列出下级命令
q                         ——返回上一级命令

***** 其他 *****
pwd                    ——显示工作目录
↑↓方向                 ——输入命令历史

4. expression表达式/Custom Field Function

自定义入口参数的值：迭代次数<50，速度 1m/s，否则 2m/s

IF(Iteration<50,1[m/s],2[m/s])

自定义入口参数的值：要求入口速度和进出口压差存在函数关系

更新：更完善的计算结果导向边界设置方法，原来的可能会引发bug

设定迭代次数<50次的速度初值，每隔100次时的变化值VAdjust，和期间稳定值 VCurrent

IF(Iteration<50,7[m/s],IF(mod(Iteration+1, 100)==0,VAdjust,VCurrent))

2. Named Expressions 添加名为 VAdjust 的表达式，假设 inlet 面速度压力满足函数关系 v+p = 10 ，注意 1[m/s/Pa] 是矫正量纲的项

10[m/s]-Average(StaticPressure,["inlet"],Weight="Area")*1[m/s/Pa]

3. Named Expressions 添加名为 VCurrent 的表达式，表示当前平均速度

Average(VelocityMagnitude,["inlet"],Weight="Area")

结果：

自定义后处理变量：任意面的法向速度

5.ACT二次开发

6. 其他

从网格节点数据自定义python绘图

Fluent选择xyplot，选择x、y或z坐标，左边勾选输出到文件，右边选择需要输出的后处理参数，然后写入到文件，将文件名改为.txt结尾，文件中是多达几万/几十万个的网格节点数据

下面展示的代码将展示用python绘制 0.12 - 1.39m 高度的平均速度 v 的分布图

import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.font_manager import FontProperties
import numpy as np
import pandas as pd

df = pd.read_table('./1.txt', sep='	', header = None, skiprows = 4, comment=')', encoding = 'utf-8', names = ['z', 'v'])

df.loc[df['v'] != 0.0,'v'] = -1 * df['v']

x1 = []
y1 = []

""" 筛选数据取平均值 """
for i in np.arange(0.12, 1.39, 0.01):
    ave = df.loc[((df['z'] >= i - 0.005) & (df['z'] < i + 0.005)),'v'].mean()
    x1.append(i)
    y1.append(ave)

plt.rcParams['font.sans-serif']=['SimHei']    #指定默认字体 SimHei为黑体
plt.rcParams['axes.unicode_minus']=False   #用来正常显示负号

plt.figure(dpi=600)
plt.grid(axis='y', color='grey', linestyle='--', lw=0.5, alpha=0.5) #网格线
plt.xlabel(r'高度（m）', fontsize = 20)
plt.ylabel(r'风速（m/s）', fontsize = 20)
plt.plot(x1, y1)
plt.show()

Fluent 小工具

profile文件坐标修改器（有bug欢迎修改）——将某个文件的profile坐标修改平移缩放已适应其他的同形状边界

https://github.com/runrun-xjtu/Fluent-and-udf/tree/main/ProfileModification

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