Python与Fluent结合：基于Python的Fluent自动化

关于Python_fluent

简介

简介 本文先引出了关于 GUI、CLI、TUI 的相关区别；其次介绍了 fluent 中几个用户容易混淆的脚本工具； 接着从功能、实例的角度详细介绍Python_fluent;最后出了实际操作的项目。

🎈如果读者想实际操作本项目，请直接第五章的开源项目

🎈本文收罗网上大量资料，每章节的最后部分列出了具体的资料来源，如果想详细阅读，点击链接即可

一、GUI、CLI、TUI

1.1 GUI-图形用户界面

（Graphical User Interface）

​ GUI 应用程序（或图形应用程序）基本上是指任何可以与你的鼠标、触摸板或触摸屏交互的东西。有了图标和其他视觉概念，你可以使用鼠标指针来访问功能。GUI 使普通用户的计算机使用变得更加容易，否则它将仍然是一个极客专用区。

1.2 CLI - 命令行界面

（Command Line Interface）

​ CLI 基本上是一个接受输入来执行某种功能的命令行程序。基本上，任何可以在终端中通过命令使用的应用程序都属于这一类。早期的电脑与 操作系统  交互没有鼠标，你必须使用命令与机器互动。比如Windows系统中的WindowPowerShell就是其中的一种。

​ 现在的 CLI 还有用吗？当然有。命令总是有它的好处，特别是当你处理操作系统的核心功能和配置时，比如设置防火墙、管理网络甚至 包管理 。你可能会有一个基于 GUI 的应用程序来完成同样的任务，但命令可以让你更精细地访问这些功能。在一些情况下，你会发现 GUI 应用程序也会用命令（在它们的代码中使用）与操作系统交互。许多流行的 GUI 应用程序往往是基于 CLI 工具的。以 Handbrake 为例。这是一个流行的开源媒体转换器，它底层使用的是 FFMPEG 命令行 工具。很明显，使用命令行工具没有图形工具那么简单。但是缺能够完成我们GUI中无法完成的工作，或者说更精细地完成GUI的工作。

1.3 TUI - 终端用户界面

（Text-based User Interface）

​ 这是三者中最不常见的名词。TUI 基本上部分是 GUI，部分是 CLI。你已经知道，早期的计算机使用 CLI。在实际的 GUI 出现之前，基于文本的用户界面在终端中提供了一种非常基本的图形交互。你会有更多的视觉效果，也可以使用鼠标和键盘与应用程序进行交互TUI 是基于文本的用户界面或终端用户界面的缩写。“基于文本”这个说法主要是因为你在屏幕上有一堆文本，而“终端用户界面”的说法是因为它们只在终端中使用。

1.3.1 比较

​ 与GUI相比，TUI对系统资源要求更低，对相关软件依赖少，对终端的要求更低，程序体积较小，更加稳定。

​ 与CLI相比，TUI交互更加灵活，信息展示方式更符合人类直观感受，操作较为简单，学习曲线较平缓 。

1.3.2 Fluent中的TUI

Fluent除了提供GUI界面操作方式外，还同时包含了一套命令操作方式，该方式成为TUI。

Fluent文本菜单系统为软件的底层操作过程提供了一个具有层次性的接口：

• 用户可以使用任何基于文本的工具对操作命令进行处理：所有的命令输入可以保存在文本文件中，可以利用文本编辑器对其进行修改，可以利用Fluent读入后执行
• 文本菜单系统与Scheme扩展语言集成紧密，因此可以轻松地对其进行编程，以提供复杂的控制和定制功能（如Scheme界面定制或ACT功能定制）。

【注】Fluent控制台包含有命令自动完成特性。用户在命令窗口中输入命令时可以实现智能提示。命令智能提示功能可以在Preferences中开启或关闭。

TUI菜单系统结构类似于LINUX操作系统的目录树结构。当启动Fluent后，用户处于”根“节点，命令菜单提示符为一个插入符号（>）。若想要列出当前命令节点下的所有子命令，可以通过键入回车键（Enter键）来实现。Fluent Meshing模式与Solution模式的命令存在差异。

在TUI窗口中可以运行Scheme语句，如：

> (define a 1)
a
> (+ a 2 3 4)
10

1.3.3 Fulent 中 TUI命令简写

– ls 列出在工作目录下的文件
– rcd 读入case和data文件
– wcd 写入case和data文件
– rc/wc 读入/写入case文件
– rd/wd读入/写入data文件
– it 迭代

参考资料：

Fluent|TUI命令

Fluent TUI｜01 简介

pyFluent｜一点使用体验

二、Journal、Scheme、UDF、PyFluent

​ 本质上 UDF 工具和其余3个工具是有差别的，其余3个工具都是为了仿真过程脚本化。当我们需要重复 很多相同的操作，但是我们不想使用GUI界面去手动重复配置cas、mesh,这时候我们就可以使用我们所 熟知的脚本工具: Journal、Scheme、PyFluent ,通过脚本工具我们就可以使得fluent软件自动地计算， 自动地后处理。

2.1 UDF

丰富求解器的内在功能，当我们需要增加新的物理模型的时候，就可以使用UDF增加我们需要的模 型，也就是说UDF可以改变核心求解器的物理功能。

2.2 Journal

在fluent的左下角的控制台，我们就可以使用 Journal 来实现对各类模型的脚本处理。但是 Journal 的过程过于单一，缺乏高级语言的特征。

2.3 Scheme

本身是一种高级语言，但是难，资料少，生态弱。可以联合 Journal 写混合脚本。

2.4 PyFluent

生态强，python生态所具备的任何东西都可以使用，给予用户强大的创造力。可以实现脚本化，但是 实际比脚本化做的多得多。

2.5 综合比较

参考资料：

PyFluent——CFD仿真助推器_哔哩哔哩_bilibili

三、Python+Ansys Fluent=PyFluent

​ Fluent提供了很多种不同的控制方式，不过最常见的无异于GUI和TUI两种。GUI适合于新手操作及单case使用，TUI适合参数化及批量计算。按理说应当能够满足需求了。我们可以通过很多TUI的命令去实现很多操作，读者可以根据1.3.3中的TUI相关命令使用fulent软件亲自测试一下各类命令。

3.1 简介

​ Fluent 2022R2版本推出了pyFluent，是Fluent推出的新玩意儿。

​ 使用PyFluent（通过Python对Fluent的开源访问）实现流程自动化、构建自定义工作流程、制作自定义解决方案等。

​ 实际上是提供了一个利用python访问Fluent进程的工具，利用此工具可以实现利用python控制Fluent，可以实现在不启用Fluent GUI的情况下，完成参数设置、计算求解以及或数据结果输出的功能。

​ 相比于Fluent提供的TUI推出的PyFluent具备更强劲的功能。

3.2 TUI 和 PyFluent 比较

​ 首先PyFluent使用的脚本语言是Python，且可以通过远程访问的方式连接Fluent内核并对其进行操控，通过采用这种C-S结构访问Fluent，事实上已经将脚本编写与Fluent独立开来，灵活性上要远胜TUI，更远胜于GUI。

​ 另外，Fluent TUI虽然写的也是脚本，不过并不具备完善的程序结构（比如常见的逻辑分支、循环等），当然TUI可以借用Scheme脚本来实现逻辑分支与循环处理，但无疑会使得脚本变得更加复杂及难懂。利用PyFluent就完全不用考虑这个问题了，其使用完整的Python作为程序控制语言，而Python是完善的计算机语言，其表达能力远胜TUI。

​ PyFluent TUI命令代表了一种全面自动化工作流的方法：Fluent TUI（其本身是一个全面的自动化界面）中的所有内容都在PyFluent中公开。PyFluent TUI命令是Fluent控制台中使用的那些命令的Pythonic版本。

​ Python目前是最为火热的计算机语言，其拥有大量的可供利用的功能包和模块，能够实现非常复杂的科学计算功能（如常用的numPy、scipy、sympy等），PyFluent既然基于Python，自然也是可以使用这些模块的。比如当前比较火热的人工智能机器学习什么的，也可以混着Fluent一起用了。看起来能耍的地方还挺多。当然最实用的还是利用PyFluent进行仿真参数化计算，简单方便且无需借助外部工具。

​ 另外，PyFluent完全兼容TUI，因此如果对TUI比较熟悉的话，其实很容易将其转换为PyFluent代码，只要稍微有点儿Python基础，PyFluent的学习成本几乎为零。TUI命令的参数只是那些在与Fluent控制台直接交互时传递的参数，但PyFluent采用Pythonic风格。用户可以很容易地将TUI命令转换为PyFluent代码。

3.2.1 实例1

例如在Solution模式中，下面的TUI命令可以用来设置速度入口边界：

/define/boundary_conditions/set/velocity-inlet

上述命令的调用会在控制台中引发一系列输入提示，如果用户依次响应每个提示：

velocity-inlet-5
()
temperature
no
293.15
quit

其效果与直接在TUI命令中指定参数的方式相同：

/define/boundary-conditions/set/velocity-inlet velocity-inlet-5 () temperature no 293.15 quit

交互式TUI是构建包含完整参数序列的TUI调用的可靠方法。有了完整的TUI，下一步是将其转换为Python调用：

from ansys.fluent.core import launch_fluent
solver_session = launch_fluent()
tui = solver_session.solver.tui
tui.define.boundary_conditions.set.velocity_inlet(
"velocity-inlet-5", [], "temperature", "no", 293.15, "quit"
)

3.2.2 实例2

宁外一个TUI代码：

/define/units pressure "Pa"

可以将其改成python代码：

tui.define.units("pressure",'"Pa"')

其中字符串"Pa"被包裹在单引号中，以保留TUI参数周围的双引号。

注意上述示例中隐含的以下规则：

• TUI路径中元素之间的每个斜杠分隔符转换为Python点符号
• 路径元素中的某些字符要么被删除，要么被替换，因为它们在Python名称中是非法的：
• 路径元素中的每个连字符都转换为下划线 路径元素中的每个问号都将被删除
• 关于字符串的一些规则：
• 必须在Python中引用字符串类型参数 注意需要引用目标Fluent TUI参数的特殊情况（例如上面的“Pa”）。必须通过在附加的单引号中包裹Python字符串来保留该引号 保留字符串参数的内容

3.3 PyFluent功能

一种脚本，但不止于传统的脚本。

3.3.1 一般的脚本化

注意树状列表是指 fluent软件左侧的列表。相比TUI的API,root的API更加清晰，且可读性高。


参考资料：

找到一篇关于如何使用两种API的具体教程：【Fluent】人生苦短，我用PyFluent-V2 (qq.com)

3.3.2 场数据的获取

TUI也可以实现此功能，但是使用pyfluent的代码更加清晰，可维护性高。

3.3.3 参数化和Python的后处理

3.3.4 其他功能

3.4 PyFluent特性

​ PyFluent是PyAnsys生态系统的一部分，可让您在您选择的Python环境中与其他PyAnys库和外部Python库结合使用Fluent。

​ PyFluent 实现了客户端-服务器体系结构。它使用谷歌远程过程调用或gRPC接口来启动或连接正在运行的 Fluent 进程作为服务器。但是，您只需要与 Python 接口进行交互。

​ PyFluent 以编程方式创建、交互和控制 Fluent 会话，以创建您自己的自定义工作区。此外，您还可以使用PyFluent通过高度可配置的自定义脚本来提高工作效率。

PyFluent的主要模块ansys-fluent-core提供以下功能：

• 能够以串行或并行方式启动Fluent求解器，并使用launching Fluent模块连接到已运行的Fluent会话
• 能够编写Fluent Meshing功能脚本
• 能够使用Fluent的所有TUI命令编写脚本
• 能够异步运行多个Fluent会话
• 能够使用标准Python库（如matplotlib）以numpy arryas的形式检索Fluent的物理场数据，以实现自定义后处理
• 能够在Fluent的求解器事件上注册回调函数，例如可以在读取case或data文件时，或者Fluent求解器完成迭代时实现一些特殊的功能
• 能够使用MonitorsManager模块检索求解器监视器，例如残差

参考资料：

pyFluent｜一点使用体验

ANSYS二次开发：Python解析ansys fluent结果文件

四、实践PyFluent

​ 当您将 Python 几乎无限的可能性和灵活性与 Fluent 市场领先的准确性相结合时，您就开启了一种执行流体动力学模拟的新方法。借助 PyFluent，开发人员现在可以访问 Fluent 功能的全部广度和深度，从使用 Python 脚本的预处理到后处理。

4.1 安装环境

后处理会用到numpy和matplotlib，怕麻烦的话可以先安装anaconda（网址https://www. anaconda .com/）。然后在开始菜单中打开Anaconda Prompt，在其中输入命令进行安装。若为Liunx系统，则确保系统中安装了pip或pip3。

• 利用下面的命令安装pyfluent：

pip install ansys-fluent-core

下载速度慢的话就多试几次。如果连接github速度比较快的话，也可以尝试使用下面的命令进行安装：

pip install git+https://github.com/pyansys/pyfluent.git

可以在这里找到一些简单的使用信息。https://pypi.org/project/ansys-fluent-core/

为方便使用，可以配套安装Fluent参数化模块及后处理模块。利用下面的命令安装：

pip install ansys-fluent-parametric
pip install ansys-fluent-visualization

安装后处理模块会涉及到pySide6模块及vtk模块的安装，这两货的个头都很大，建议切换到国内镜像源，否则速度慢吞吞会把人急死。

参考资料：

Getting started — PyFluent-Parametric (pyansys.com)

4.2 编译

pyfluent资料比较少，最好的资料无异于源代码自带的文档。

• 从网站https://github.com/pyansys/pyfluent下载所有的源代码，放到一个英文路径下。
• 由于文档编译需要使用到sphinx，所以需要提前安装。同时在编译的过程中还涉及到了一堆的外置模块，也需要预先安装。这里在经过若干次报错之后，搞清楚的需要安装模块如下所示。可以通过下面的命令进行安装。

pip install Sphinx
pip install sphinx-gallery
pip install jupyter_sphinx
pip install sphinx-notfound-page
pip install ansys_sphinx_theme
pip install sphinx-autodoc-typehints
pip install sphinx-copybutton
pip install sphinxemoji

• 启动anaconda prompt，利用cd命令进入到pyfluent的doc路径下，运行命令
• make html 运行项目并下载源码1 等其编译完毕后（编译时间很长，编译中还运行了几个算例，真是牛逼），即可在doc文件夹的_build/html子文件夹下找到index.html文件进行打开。 这里除了可以编译成html格式外，还能够输出epub格式。其实sphinx本身是可以输出pdf格式的，没搞懂为什么不让输出pdf。

4.3 使用

目前这方面的资料比较少，还没有仔细了解，看了看模块的一些源代码，发现好多函数都是tui命令的封装。待有时间把文档研究一波再聊。

可以使用下面的简单代码测试是否安装成功。

• 进入python，输入下面的代码

import ansys.fluent.core as pyfluent
session = pyfluent.launch_fluent()
session.check_health()

若第一行代码不报错则表示安装成功。

如下图所示，输出为SERVING则表示Fluent已经启动成功，后面就可以用session为所欲为了

参考资料：

pyFluent：利用python控制Fluent

csdn博客ANSYS二次开发：Python解析ansys fluent结果文件

五、实际项目

通过一个具体的案例来实践一下PyFluent带来的方便。

参考资料：

GitHub - leigq/pyfluent: 基于pyfluent的全流程应用案例（以2D naca0012为例）

六、如何编写Pyfluent脚本

找到一篇关于如何使用两种 API  的具体教程：

流体大本营使用API教程： 【Fluent】人生苦短，我用PyFluent-V2 (qq.com)

官方文档：Parametric study workflow — PyFluent-Parametric (pyansys.com)

七、fluent_2022_R2 资源

参考资料:

【实用软件】ANSYS 2022R2 安装教程 - 哔哩哔哩 (bilibili.com)

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