Fluent UDF 中文教程2

第二章.UDF的C语言基础

本章介绍了UDF的C语言基础 2.1引言

2.2注释你的C代码 2.3FLUENT中的C数据类型 2.4常数 2.5变量

2.6自定义数据类型 2.7强制转换 2.8函数 2.9数组 2.10指针 2.11声明

2.12常用C操作符 2.13C库函数

2.14用#define实现宏置换 2.15用#include实现文件包含 2.16与FORTRAN比较 2.1引言

本章介绍了C语言的一些基本信息，这些信息对处理FLUENT的UDF很有帮助。本章首先假定你有一些编程经验而不是C语言的初级介绍。本章不会介绍诸如while-do循环，联合，递归，结构以及读写文件的基础知识。如果你对C语言不熟悉可以参阅C语言的相关书籍。 2.2注释你的C代码

熟悉C语言的人都知道，注释在编写程序和调试程序等处理中是很重要的。注释的每一行以“/*”开始，后面的是注释的文本行，然后是“*/”结尾

如：/* This is how I put a comment in my C program */ 2.3FLUENT的C数据类型

FLUENT的UDF解释程序支持下面的C数据类型： Int：整型 Long：长整型 Real：实数 Float：浮点型 Double：双精度 Char：字符型

注意：UDF解释函数在单精度算法中定义real类型为float型，在双精度算法宏定义real为double型。因为解释函数自动作如此分配，所以使用在UDF中声明所有的float和double数据变量时使用real数据类型是很好的编程习惯。 2.4常数

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常数是表达式中所使用的绝对值，在C程序中用语句#define来定义。最简单的常数是十进制整数（如：0，1，

2）包含小数点或者包含字母e的十进制数被看成浮点常数。按惯例，常数的声明一般都使用大写字母。例如，你可以设定区域的ID或者定义YMIN和YMAX如下：#define WALL_ID 5 #define YMIN 0.0 #define YMAX 0.4064 2.5变量

变量或者对象保存在可以存储数值的内存中。每一个变量都有类型、名字和值。变量在使用之前必须在C程序中声明。这样，计算机才会提前知道应该如何分配给相应变量的存储类型。 2.5.1声明变量

变量声明的结构如下：首先是数据类型，然后是具有相应类型的一个或多个变量的名字。变量声明时可以给定初值，最后面用分号结尾。变量名的头字母必须是C所允许的合法字符，变量名字中可以有字母，数字和下划线。需要注意的是，在C程序中，字母是区分大小写的。下面是变量声明的例子： int n; /*声明变量n为整型*/ int i1, i2; /*声明变量i1和i2为整型*/ float tmax = 0.; /* tmax为浮点型实数，初值为0 */ real average_temp = 0.0; /* average_temp为实数，赋初值为0.1*/ 2.5.2局部变量

局部变量只用于单一的函数中。当函数调用时，就被创建了，函数返回之后，这个变量就不存在了，局部变量在函数内部（大括号内）声明。在下面的例子中，mu_lam和temp是局部变量。 DEFINE_PROPERTY(cell_viscosity, cell, thread) {

real mu_lam;

real temp = C_T(cell, thread);

if (temp > 288.) mu_lam = 5.5e-3; else if (temp > 286.)

mu_lam = 143.2135 - 0.49725 * temp; else

mu_lam = 1.;

return mu_lam; }

2.5.3全局变量

全局变量在你的UDF源文件中是对所有的函数都起作用的。（调用一个UDF源文件可能会包括一系列的连接函数。）它们是在单一函数的外部定义的。全局变量一般是在预处理程序之后的文件开始处声明。 2.5.4外部变量

如果全局变量在某一源代码文件中声明，但是另一个源代码的某一文件需要用到它，那么你必须在另一个文件中声明它是外部变量。外部变量的声明很简单，你只需要在变量声明的最前面加上extern即可。如果有几个文件涉及到该变量，最方便的处理方法就是在头文件（.h）中加上extern的定义，然后在所有的.c文件中引用该头文件即

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可。只有一个.c文件应该包括没有extern关键字的变量声明，如下所示。注意：extern只用于编译过的UDF。 例子： /* filea.h */

/*包含外部定义的头文件*/ extern real volume; /* filea.c */

/*调用头文件filea.h中声明的volumn的C函数*/ #include \#include \real volume;

DEFINE_ADJUST(compute_volume, domain) {

/*计算某些区域volumn的代码*/ volume = .... }

/* fileb.c */

/*调用头文件filea.h中声明的volumn的另一个C函数*/ #include \#include \

DEFINE_SOURCE(heat_source,c,t,ds,eqn) {

/* 用总数来计算每个单位体积的源项的代码*/ /*fliea.c的compute_volum计算出的volume*/ real total_source = ...; real source;

source = total_source/volume; return source; }

2.5.5静态变量

static声明对于全局变量和局部变量的影响是不一样的。静态局部变量在函数调用返回之后，该变量不会被破坏。静态全局变量则在定义该变量的.c源文件之外对任何函数保持不可见。静态声明也可以用于函数，使该函数只对定义它的.c源文件保持可见。下面是静态全局变量声明的例子。注意：extern只用于编译过的UDF。 例子： #include \

static real abs_coeff = 1.0; /* 吸收系数*/ real source;

DEFINE_SOURCE(energy_source, c, t, dS, eqn) {

int P1 = ....;

dS[eqn] = -16.* abs_coeff * SIGMA_SBC * pow(C_T(c,t),3.);

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source =-abs_coeff *(4.* SIGMA_SBC * pow(C_T(c,t),4.) - C_UDSI(c,t,P1)); return source; }

DEFINE_SOURCE(p1_source, c, t, dS, eqn) {

int P1 = ...;

dS[eqn] = -abs_coeff;

source = abs_coeff *(4.* SIGMA_SBC * pow(C_T(c,t),4.) - C_UDSI(c,t,P1)); return source; }

2.6自定义数据类型

C还允许你用结构和typedef创建自定义数据类型。下面是一个结构列表的定义。注意：typedef只用于编译过的UDF。 例子： typedef struct list { }

mylist; /* mylist为类型结构列表*/ mylist x,y,z; /* x,y,z为类型结构列表*/ 2.7强制转换

你可以通过强制转换将某一数据类型转换为另一种。强制由类型来表示，其中的类型包括int，float等等，如下例所示： int x = 1; real y = 3.14159;

int z = x+((int) y); /* z = 4 */ 2.8函数

函数是用完成一定任务的一系列语句。在定义该函数的同一源代码中，这些任务可能对其它的函数有用，也可能会被用于完成源文件以外的函数中。每个函数都包括一个函数名以及函数名之后的零行或多行语句，其中有大括号括起来的函数主体可以完成所需要的任务。函数可以返回特定类型的数值。C函数通过数值来传递数据。

函数有很多数据类型，如real，void等，其相应的返回值就是该数据类型，如果函数的类型是void就没有任何返回值。要确定定义UDF时所使用的DEFINE宏的数据类型你可以参阅udf.h文件中关于宏的#define声明一节，也可以参阅附录A的列表。

!! C函数不能改变它们的声明，但是可以改变这些声明所指向的变量。 2.9 数组

数组的定义格式为：名字[数组元素个数]，C数组的下标是从零开始的。变量的数组可以具有不同的数据类型。 例子

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int a; real b; int c;

int a[10], b[10][10]; real radii[5];

a[0] = 1; /* 变量a为一个一维数组*/ radii[4] = 3.14159265; /*变量radii为一个一维数组*/ b[10][10] = 4; /*变量b为一个二维数组*/ 2.10指针

指针变量的数值是其它变量存储于内存中的地址值。C程序中指针变量的声明必须以*开头。指针广泛用于提取结构中存储的数据，以及在多个函数中通过数据的地址传送数据。 例如：int *ip;

本语句声明了一个指向整型变量的指针变量ip。此时你可以为指针变量分配一个地址值了。现在假定你要将某一地址分配给指针ip，你可以用取地址符&来实现。例如： ip = &a;

就分配给指针ip变量a的地址值了。

要得到指针变量所指向的单元的值，你可以使用： *ip

你还可以为指针ip所指向的变量赋值，例如： *ip = 4;

将4赋给指针ip所指向的变量。下面是使用指针的例子： int a = 1; int *ip;

ip = &a; /* &a返回了变量a的地址值*/ printf(\ *ip = 4; /* a = 4 */ printf(\

在上面的语句中，整型变量赋初值为1。然后为整型变量声明一个指针。然后整型变量a的地址值分配给指针ip。然后用*ip来输出指针ip所指向的值（该值为1）。然后用*ip间接的给变量a赋值为4。然后输出a的新值。指针还可以指向数组的起始地址，在C中指针和数组具有紧密的联系。 2.10.1 作为函数自变量的指针

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C函数可以通过指针进入和修改它们的自变量。在FLUENT中，线程和域指针是UDF常用的自变量。当你在UDF中指定这些自变量时， FLUENT解算器会自动将指针所指向的数据传送给UDF，从而使你的函数可以存取解算器的数据（你不必声明作为自变量从解算器传送给UDF的指针）。例如，某一传送给指定（由DEFINE_PROFILE宏来定义的）自定义轮廓UDF的自变量是一个指向应用于边界条件的线程的指针。DEFINE_PROFILE函数会存取线程指针所指向的数据。 2.11 控制语句

你可以使用控制语句，如if, if-else和循环来控制C程序中语句的执行顺序。控制语句决定了程序序列中下一步该执行的内容 2.11.1 if语句

if语句是条件控制语句的一种。格式为： if (逻辑表达式) {语句}

其中逻辑表达式是判断条件，语句是条件满足时所要执行的代码行。 例子 if (q != 1) {a = 0; b = 1;} 2.11.2 if-else语句

if-else语句是另一种条件控制语句。格式为： if (逻辑表达式) {语句} else {语句}

如果逻辑表达式条件满足，则执行第一个语句，否则执行下面的语句。 例子 if (x < 0.) y = x/50.; else { x = -x; y = x/25.;

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}

下面是等价的FORTRAN代码，大家可以比较一下： IF (X.LT.0.) THEN Y = X/50. ELSE X = -X Y = X/25. ENDIF 2.11.3 for循环

for循环是C程序最为基本的循环控制语句。它和FORTRAN中的do循环很类似。格式为： for (起点;终点;增量) {语句}

其中起点是在循环开始时执行的表达式；终点是判断循环是否结束的逻辑表达式；增量是循环迭代一次之后执行的表达式（通常是增量计数器）。 例子：

/* 输出整数1-10及它们的平方*/ int i, j, n = 10; for (i = 1 ; i <= n ; i++)

{ }

j = i*i;

printf(\

下面是等价的FORTRAN代码，大家可以做一比较： INTEGER I,J N = 10 DO I = 1,10 J = I*I WRITE (*,*) I,J ENDDO 2.12常用的C运算符

运算符是内部的C函数，当它们对具体数值运算时会得到一个结果。常用的C运算符是算术运算符和逻辑运算符。

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2.12.1 算术运算符

下面是一些常用的算术运算符。 = 赋值 + 加 - 减 * 乘 / 除 % 取模 ++ 增量 -- 减量

注意：乘、除和取模运算的优先级要高于加、减运算。除法只取结果的整数部分。取模只取结果的余数部分。++运算符是增量操作的速记符。 2.12.2 逻辑运算符 下面是一些逻辑运算符。 < 小于 <= 小于或等于 > 大于 >= 大于或等于 == 等于 != 不等于

2.13 C库函数

当你书写UDF代码时，你可以使用C编译器中包括的标准数学库和I/O函数库。下面各节介绍了标准C库函数。标准C库函数可以在各种头文件中找到（如：global.h）。这些文件都被包含在udf.h文件中。 2.13.1 三角函数

下面的三角函数都是计算变量x（只有一个还计算y）的三角函数值。函数和变量都是双精度实数变量。具体的意义大家应该都很清楚，就不具体介绍了。

double acos (double x); double asin (double x); double atan (double x); 返回x的反余弦函数 返回x的反正弦函数 返回x的反正切函数 double atan2 (double x, double y); 返回x/y的反正切函数 8

double cos (double x); double sin (double x); double tan (double x); double cosh (double x); double sinh (double x); double tanh (double x); 2.13.2 各种数学函数

下面列表中，左边是C函数，右边是对应数学函数：

double sqrt (double x); 返回x的余弦函数 返回x的正弦函数 返回x的正切函数 返回x的双曲余弦函数 返回x的双曲正弦函数 返回x的双曲正切函数 x ydouble pow(double x, double y); x double exp (double x); double log (double x); double log10 (double x); double fabs (double x); double ceil (double x); double floor (double x); 2.13.3 标准I/O函数

C中有大量的标准输入输出（I/O）函数。在很多情况下，这些函数在指定的文件中工作。下面是一些例子。

FILE *fopen(char *filename, char *type); 打开一个文件 int fclose(FILE *fd); int fprintf(FILE *fd, char *format, ...); int printf(char *format, ...); int fscanf(FILE *fd, char *format, ...); 关闭一个文件 格式化输出到一个文件 输出到屏幕 格式化读入一个文件 ex ln?x? log10?x? x 不小于x的最小整数 不大于x的最大整数 函数fopen和fclose分别打开和关闭一个文件。函数fprintf以指定的格式写入文件，函数fscanf以相同的方式从某一文件中将数据读入。函数printf是一般的输出函数。fd是一个文件指针，它所指向的是包含所要打开文件的信息的C结构。除了fopen之外所有的函数都声明为整数，这是因为该函数所返回的整数会告诉我们这个文件操作命令是否成功执行。

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在下面的例子中，需要打开的数据文件的名字用双引号括起来。fopen中的选项r表明该文件是以可读形式打开的。fscan函数从fd所指向的文件中读入两个浮点数并将它们存储为f1和f2。关于C的标准输入输出函数其它更多的信息，你可以查阅相关手册（如：[2]）。 例子： FILE *fd;

fd = fopen(\ /* opens a file named data.txt */ fscanf(fd, \ fclose(fd);

2.14 用#define实现宏置换

UDF解释程序支持宏置换的C预处理程序命令。当你使用#define宏置换命令，C预处理程序（如，cpp）执行了一个简单的置换，并用替换文本替换宏中定义的每一个自变量。 #define macro replacement-text 如下面的宏置换命令： #define RAD 1.2345

预处理程序会在UDF中所有的变量RAD出现的地方将RAD替换为1.2345。在你的函数中可能会有很多涉及到变量RAD的地方，但是你只需要在宏命令中定义一次，预处理程序会在所有的代码中执行替换操作。 在下面这个例子中：

#define AREA_RECTANGLE(X,Y) ((X)*(Y))

你的UDF中所有的AREA_RECTANGLE(X,Y)都会被替换为(X)和(Y)的乘积。 2.15 用#include实现文件包含

UDF解释程序还支持文件包含的C前处理命令。当你使用#include包含一个文件时，C前处理程序会将#include filename行替换为文件名对应的文件内容。 #include \filename \

文件名对应的文件必须在当前目录中。只有udf.h文件例外，这是因为FLUENT解算器会自动将它读入。 如下面的文件包含命令： #include \

会将文件udf.h包含进你的源代码中。

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的比较

函数和FORTRAN函数的子程序很相似，例子如下：

简单的C函数 等价的FORTRAN函数 int myfunction(int x) INTEGER FUNCTION MYFUNCTION(X) { int x,y,z; INTEGER X,Y,Z y = 11; Y = 11 z = x+y; Z = X+Y printf(\WRITE (*,100) Z return z; MYFUNCTION = Z } END 11

2.16 与FORTRAN 很多简单的C

的比较

函数和FORTRAN函数的子程序很相似，例子如下：

简单的C函数 等价的FORTRAN函数 int myfunction(int x) INTEGER FUNCTION MYFUNCTION(X) { int x,y,z; INTEGER X,Y,Z y = 11; Y = 11 z = x+y; Z = X+Y printf(\WRITE (*,100) Z return z; MYFUNCTION = Z } END 11

2.16 与FORTRAN 很多简单的C

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