ANSYS CFX-Pre用户自定义函数（UDF）使用完全指南


参考资源链接：[ANSYS CFX-Pre 2021R1 用户指南](https://wenku.csdn.net/doc/2d9mn11pfe?spm=1055.2635.3001.10343)
# 1. ANSYS CFX-Pre UDF概述

## 1.1 UDF的定义和作用

ANSYS CFX-Pre UDF（User-Defined Function）是为CFX求解器提供高度定制化能力的一套用户接口。用户可以通过编写UDF来实现自定义的物理模型、边界条件、材料属性等。UDF的作用是扩展CFX的内置功能，满足特定工程问题的需求，从而进行更精确的流体动力学和传热分析。

## 1.2 UDF的重要性

在进行复杂的流体模拟时，CFX提供的标准模型可能无法完全满足特定应用的要求。UDF为用户提供了一种途径，可以实现对CFX求解器的深度定制。工程师可以通过UDF控制流场变量、添加复杂的边界条件、甚至是修改求解器内部的物理模型。这意味着更灵活的模拟过程和更精确的模拟结果。

## 1.3 UDF的基本结构

一个UDF通常包含以下几个基本部分：头文件的包含（#include）、宏定义（#define）、函数原型声明、主函数（main）以及用户自定义的函数。其中，自定义函数可以包括初始化（INITIALIZE）、边界条件（BC）、源项（SOURCE）等，这些都是为了提供对CFX求解过程的控制。

#include <udf.h> // 引入标准的UDF库

DEFINE_PROFILE(wall_temperature, thread, position)
{
  face_t f;
  real temperature_profile;
  begin_f_loop(f, thread)
  {
    // 在这里编写计算温度分布的代码
    temperature_profile = /* 计算温度值 */;
    F_PROFILE(f, thread, position) = temperature_profile;
  }
  end_f_loop(f, thread)
}

上例展示了UDF中一个简单的边界条件函数的基本结构，实际编写中需要根据模拟的物理问题来填充具体逻辑。

# 2. UDF的理论基础

## 2.1 UDF的编程语言

### 2.1.1 C语言基础

用户定义函数（UDF）为ANSYS CFX提供了强大的自定义能力，使得模拟过程更加灵活。UDF编程主要使用C语言，因此熟悉C语言是使用UDF的前提。本小节将简要回顾C语言的基础知识，并强调在编写UDF时需要注意的特定点。

C语言是结构化编程语言的代表，其基本组成元素包括数据类型、运算符、表达式、控制结构和函数。在UDF编程中，通常涉及以下C语言概念：

- **数据类型**：在CFX中，定义变量需要声明其数据类型，如整型（int）、浮点型（float）和双精度浮点型（double）等。
- **运算符和表达式**：UDF中常用的运算符包括赋值运算符（=）、算术运算符（+，-，*，/，%）以及逻辑运算符。
- **控制结构**：控制结构包括条件语句（if-else）和循环语句（for、while、do-while），它们在定义复杂边界条件和源项时尤其重要。

一个简单的UDF示例代码如下：

DEFINE_PROFILE(inlet_velocity, thread, position)
{
    face_t f;
    real x[ND_ND]; /* ND_ND is the number of dimensions */

    begin_f_loop(f, thread)
    {
        F_CENTROID(x, f, thread);
        if (x[0] < 0.5)
        {
            F_PROFILE(f, thread, position) = 1.0;
        }
        else
        {
            F_PROFILE(f, thread, position) = 0.5;
        }
    }
    end_f_loop(f, thread)
}

在这段代码中，`DEFINE_PROFILE`是一个宏，用于定义边界条件下的速度剖面。该函数体内部使用了`begin_f_loop`和`end_f_loop`来遍历边界上的所有面，并使用`F_CENTROID`来获取面的中心坐标。条件语句用于根据坐标位置赋予不同的速度值。

### 2.1.2 UDF专用宏和函数

UDF为ANSYS CFX提供了专有的宏和函数，以便于用户访问CFX内部的数据和进行自定义操作。掌握这些宏和函数是编写高效UDF的关键。

- **DEFINE宏系列**：CFX提供了一系列的`DEFINE_`宏，如`DEFINE_PROFILE`（定义边界剖面）、`DEFINE_SOURCE`（定义源项）、`DEFINE_PROPERTY`（定义材料属性）等，用于实现特定的功能。
- **Thread和Domain**：`thread`和`domain`是CFX中用于表示边界、区域和单元的特殊数据结构，通过这些结构可以访问相应的几何信息和物理量。
- **边界和区域函数**：CFX提供了一些函数用于获取边界条件和区域信息，例如`F_PROFILE`、`C 언어中的`C域名。

考虑以下使用UDF专用宏的示例：

DEFINE_SOURCE(x_velocity_source, cell, dS, eqn)
{
    /* dS is the derivative of source term with respect to cell variable */
    real source;

    source = /* user-defined calculation */;

    /* dS is set to zero for source terms independent of cell variables */
    dS[eqn] = 0.0;

    return source;
}

这段代码展示了如何使用`DEFINE_SOURCE`宏定义一个速度源项。`dS`是源项对单元变量导数的参数，在这个例子中，如果源项与单元变量无关，则将其设置为零。

## 2.2 UDF编译环境的搭建

### 2.2.1 编译器的选择和配置

UDF编译环境的搭建对UDF的成功编译至关重要。大多数用户使用Microsoft Visual Studio（MSVS）或GNU Compiler Collection（GCC）作为编译器。在Windows平台上，MSVS是推荐的选择，而在Linux或Unix系统上，GCC通常是默认编译器。安装编译器时，需要确保其版本与CFX支持的版本相匹配。

搭建编译环境的步骤通常包括以下几个方面：

- **安装编译器**：按照编译器的安装文档进行安装。
- **配置编译器环境**：设置环境变量，如`PATH`，包含编译器的可执行文件目录。
- **测试编译器安装**：通过编译简单的C程序来测试编译器是否正确安装。

例如，在Linux系统上，可以通过在终端运行以下命令来测试GCC是否安装成功：

gcc --version

如果安装正确，将会显示GCC的版本信息。

### 2.2.2 UDF代码的编译过程

UDF代码的编译过程涉及将C语言源代码编译为动态链接库（DLL），这个库可以在CFX启动时加载。这一过程通常通过ANSYS CFX提供的命令行界面进行。

以下是在Windows平台上编译UDF的步骤：

- 打开命令提示符，导航到UDF源代码所在的文件夹。
- 执行CFX提供的编译命令。例如，如果使用的是CFX自带的编译器，则可以输入：

cfx5pre -f -def "C:\CFX\bin\CFX10.0\ccl.def" -c -o udf.obj udf.c
cfx5link -o udf.dll -lib "C:\CFX\bin\CFX10.0\ccl.lib" udf.obj

- 上述命令中，`cfx5pre`是预处理器，用于准备UDF编译；`cfx5link`是链接器，用于生成DLL文件。

而在Linux平台上，编译命令可能类似于：

gcc -I /opt/ansys_inc/v180/include -fPIC -c udf.c -o udf.o
gcc -shared -o udf.so udf.o -L/opt/ansys_inc/v180/lib -lANSF90 -lANSF90SGL -lANSF90SGLCC -lANSF90SGLR -lANSF90SOCK -lANSF90BLACS -lANSF90SCALAPACK -lANSF90BLACS -lANSF90 -lANSF90 -lm

- 这里`-I`选项用于指定ANSYS CFX头文件的路径；`-o`用于指定输出文件；`-shared`表示创建共享库。

在编译过程中，可能会遇到各种编译错误。常见的错误包括缺少必要的库、头文件路径不正确、源代码中的语法错误等。解决这些问题需要熟悉C语言和UDF的特定要求。

## 2.3 UDF的数据结构和类型

### 2.3.1 核心数据类型介绍

在UDF编程中，数据类型对于定义变量和函数参数至关重要。CFX定义了一些专门的数据类型以适应其模拟过程中的特殊需求。熟悉这些数据类型对于提高编程效率和确保代码的正确性非常有帮助。

CFX中常用的核心数据类型包括：

- `real`：表示浮点数。
- `integer`：表示整数。
- `logical`：表示逻辑值，通常用于条件语句中，取值为真（true）或假（false）。
- `face_t`：代表CFX中的一个面。
- `cell_t`：代表CFX中的一个控制体积单元。

此外，还有一系列特定的数据类型用于表示向量和矩阵，如`real[ND_ND]`（表示一个n维向量）和`real[ND_ND][ND_ND]`（表示一个n维矩阵）。

### 2.3.2 数据结构在CFX中的应用

CFX中数据结构的应用是UDF编程中的高级主题，它决定了如何组织和管理模拟中的复杂信息。数据结构通常用于表示计算域中复杂的几何和物理信息，从而使得UDF能够更加高效地与CFX求解器交互。

一个典型的数据结构应用是网格单元结构（`cell_t`）。通过`cell_t`数据类型，可以访问和修改网格单元的属性，如速度、压力和温度等。例如：

DEFINE_SOURCE(cell_temperature, cell, dS, eqn)
{
    real source;
    source = /* user-defined source calculation */;
    dS[eqn] = /* user-defined source derivative */;
    return source;
}

在上述代码中，`cell_temperature`函数通过`cell`参数操作指定的单元格数据。用户可以根据需要自定义源项的计算和其对单元变量