在Star-CCM+中实现UDF并引用场数据和网格数据

news2025/5/11 0:16:19

在Star-CCM+中实现UDF并引用场数据和网格数据

Star-CCM+中的用户自定义函数(UDF)允许用户通过Java或C/C++编程扩展软件功能。下面我将详细介绍如何实现UDF并引用模拟数据。

1. UDF基础实现方法

1.1 创建UDF的步骤

  1. 在Star-CCM+中，右键点击"工具" → “用户函数” → “新建”
  2. 选择Java或C/C++作为编程语言
  3. 为UDF命名并选择适当的模板
  4. 编写代码并编译
  5. 将UDF分配给适当的场函数或边界条件

1.2 Java UDF基本结构示例

import star.common.*;
import star.base.neo.*;
import star.meshing.*;

public class MyUDF extends StarMacro {
    @Override
    public void execute() {
        // 获取当前模拟会话
        Simulation simulation = getActiveSimulation();
        
        // 获取网格和场数据
        MeshPart meshPart = simulation.get(SimulationPartManager.class).getMeshPart();
        ScalarField temperatureField = simulation.getFieldManager().getField("Temperature");
        
        // 在这里处理数据...
    }
}

2. 引用场数据和网格数据的示例

2.1 访问标量场数据示例

import star.common.*;
import star.base.neo.*;
import star.flow.*;

public class TemperatureUDF extends StarMacro {
    public void execute() {
        Simulation simulation = getActiveSimulation();
        
        // 获取温度场
        ScalarField temperature = (ScalarField) simulation.getFieldManager().getField("Temperature");
        
        // 获取当前迭代的场数据
        FieldData fieldData = temperature.getFieldData();
        
        // 遍历所有单元获取温度值
        Region region = simulation.getRegionManager().getRegion("Region");
        MeshPart meshPart = region.getMeshPart();
        
        for (PartSurface surface : meshPart.getPartSurfaces()) {
            for (Face face : surface.getFaces()) {
                double tempValue = fieldData.getDouble(face);
                // 处理温度数据...
            }
        }
    }
}

2.2 访问矢量场和网格几何数据示例

import star.common.*;
import star.base.neo.*;
import star.meshing.*;
import star.flow.*;

public class VelocityUDF extends StarMacro {
    public void execute() {
        Simulation simulation = getActiveSimulation();
        
        // 获取速度场
        VectorField velocityField = (VectorField) simulation.getFieldManager().getField("Velocity");
        FieldData velocityData = velocityField.getFieldData();
        
        // 获取网格几何数据
        Region region = simulation.getRegionManager().getRegion("Region");
        MeshPart meshPart = region.getMeshPart();
        
        // 遍历单元计算速度大小
        for (Cell cell : meshPart.getCells()) {
            NeoVector velocity = velocityData.getVector(cell);
            double speed = Math.sqrt(velocity.x()*velocity.x() + 
                                   velocity.y()*velocity.y() + 
                                   velocity.z()*velocity.z());
            
            // 获取单元中心坐标
            DoubleVector center = cell.getCenter();
            double x = center.get(0);
            double y = center.get(1);
            double z = center.get(2);
            
            // 处理数据...
        }
    }
}

2.3 修改场数据示例

import star.common.*;
import star.base.neo.*;
import star.flow.*;

public class ModifyFieldUDF extends StarMacro {
    public void execute() {
        Simulation simulation = getActiveSimulation();
        
        // 获取并修改压力场
        ScalarField pressureField = (ScalarField) simulation.getFieldManager().getField("Pressure");
        FieldData pressureData = pressureField.getFieldData();
        
        Region region = simulation.getRegionManager().getRegion("Region");
        MeshPart meshPart = region.getMeshPart();
        
        for (Cell cell : meshPart.getCells()) {
            double currentPressure = pressureData.getDouble(cell);
            double newPressure = currentPressure * 1.1; // 增加10%压力
            pressureData.setDouble(cell, newPressure);
        }
        
        // 更新场数据
        pressureField.setFieldData(pressureData);
    }
}

3. 高级应用示例

3.1 基于位置的场函数修改

import star.common.*;
import star.base.neo.*;
import star.meshing.*;

public class PositionDependentUDF extends StarMacro {
    public void execute() {
        Simulation simulation = getActiveSimulation();
        
        // 获取必要场和网格数据
        ScalarField tempField = (ScalarField) simulation.getFieldManager().getField("Temperature");
        FieldData tempData = tempField.getFieldData();
        
        Region region = simulation.getRegionManager().getRegion("Region");
        MeshPart meshPart = region.getMeshPart();
        
        // 定义热源位置和半径
        double[] heatSource = {0.0, 0.0, 0.0};
        double radius = 0.1;
        
        // 修改温度场
        for (Cell cell : meshPart.getCells()) {
            DoubleVector center = cell.getCenter();
            double distance = Math.sqrt(
                Math.pow(center.get(0) - heatSource[0], 2) +
                Math.pow(center.get(1) - heatSource[1], 2) +
                Math.pow(center.get(2) - heatSource[2], 2));
            
            if (distance < radius) {
                tempData.setDouble(cell, 500.0); // 设置热源温度
            }
        }
        
        tempField.setFieldData(tempData);
    }
}

3.2 边界条件UDF示例

import star.common.*;
import star.base.neo.*;
import star.flow.*;

public class InletVelocityProfile extends StarMacro {
    public void execute() {
        Simulation simulation = getActiveSimulation();
        
        // 获取入口边界
        Boundary boundary = simulation.getRegionManager().getRegion("Region").getBoundaryManager().getBoundary("Inlet");
        
        // 创建自定义速度剖面
        UserFieldFunction velProfile = simulation.getFieldFunctionManager().createFieldFunction();
        velProfile.setFunctionName("InletVelocityProfile");
        velProfile.setDefinition("5.0 * (1 - (y/0.05)^2)"); // 抛物线剖面
        
        // 应用到场
        VectorField velocity = (VectorField) simulation.getFieldManager().getField("Velocity");
        velocity.setFieldFunction(velProfile);
        
        // 更新边界条件
        boundary.getBoundaryValues().get(velocity).setMethod(FieldFunctionMethod.class);
    }
}

4. 调试和优化技巧

  1. 日志输出：使用simulation.println()输出调试信息

    simulation.println("当前单元温度: " + tempValue);

  2. 性能优化：

    • 尽量减少循环中的对象创建
    • 预先获取所有需要的数据引用
    • 对大型网格考虑并行处理

  3. 错误处理：

    try {
    // 代码块
} catch (Exception e) {
    simulation.println("错误: " + e.getMessage());
}

5. 部署UDF

编写完成后：

  1. 编译UDF（右键点击UDF → 编译）
  2. 将UDF分配给适当的场函数或边界条件
  3. 运行模拟测试UDF效果

C/C++实现UDF

STAR-CCM+支持用户通过用户定义函数(UDF)来扩展软件功能，可以使用C/C++编写。以下是详细的实现方法和示例。

UDF基本实现步骤

  1. 创建UDF源文件：创建.c或.cpp文件
  2. 编译UDF：在STAR-CCM+中编译
  3. 关联UDF：将编译后的UDF关联到相应的模拟组件

引用场数据和网格数据的示例

示例1：简单的标量场处理

#include "star/StarMacros.h"
#include "star/Real.h"
#include "star/FieldData.h"
#include "star/Region.h"
#include "star/Mesh.h"
#include "star/IndexedMesh.h"

// 定义UDF入口函数
void user_function()
{
    // 获取当前区域
    Region* region = get_CurrentRegion();
    
    // 获取网格
    IndexedMesh* mesh = get_IndexedMesh(region);
    
    // 获取速度场
    FieldData* velocityField = get_FieldDataByName(region, "Velocity");
    
    // 获取压力场
    FieldData* pressureField = get_FieldDataByName(region, "Pressure");
    
    // 检查字段是否存在
    if(!velocityField || !pressureField) {
        printf("Error: Required fields not found!\n");
        return;
    }
    
    // 获取单元数量
    int numCells = mesh->getNumberOfCells();
    
    // 遍历所有单元
    for(int i = 0; i < numCells; i++) {
        // 获取单元中心坐标
        real coord[3];
        mesh->getCellCenter(i, coord);
        
        // 获取速度值
        real vel[3];
        velocityField->getCellValue(i, vel);
        
        // 获取压力值
        real pressure;
        pressureField->getCellValue(i, &pressure);
        
        // 计算速度大小
        real velMag = sqrt(vel[0]*vel[0] + vel[1]*vel[1] + vel[2]*vel[2]);
        
        // 可以在这里进行自定义计算
        // 例如：修改压力值
        real newPressure = pressure * 1.1; // 增加10%
        pressureField->setCellValue(i, &newPressure);
    }
}

示例2：边界条件UDF

#include "star/StarMacros.h"
#include "star/Real.h"
#include "star/FieldData.h"
#include "star/Region.h"
#include "star/Boundary.h"
#include "star/Mesh.h"

void boundary_udf()
{
    // 获取边界区域
    Boundary* boundary = get_CurrentBoundary();
    
    // 获取关联的网格和场数据
    Region* region = boundary->getRegion();
    FieldData* temperatureField = get_FieldDataByName(region, "Temperature");
    FieldData* velocityField = get_FieldDataByName(region, "Velocity");
    
    // 获取边界上的面数量
    int numFaces = boundary->getNumberOfFaces();
    
    // 遍历边界上的所有面
    for(int i = 0; i < numFaces; i++) {
        // 获取面中心坐标
        real coord[3];
        boundary->getFaceCenter(i, coord);
        
        // 根据位置设置边界条件
        if(coord[0] < 0.5) {
            // 区域x<0.5设置固定温度
            real temp = 300.0; // 300K
            temperatureField->setBoundaryValue(boundary, i, &temp);
            
            // 设置速度为零（无滑移）
            real vel[3] = {0.0, 0.0, 0.0};
            velocityField->setBoundaryValue(boundary, i, vel);
        } else {
            // 其他区域设置热通量
            real heatFlux = 1000.0; // W/m2
            temperatureField->setBoundaryGradient(boundary, i, &heatFlux);
        }
    }
}

示例3：随时间变化的源项

#include "star/StarMacros.h"
#include "star/Real.h"
#include "star/FieldData.h"
#include "star/Region.h"
#include "star/Simulation.h"

void time_dependent_source()
{
    // 获取当前模拟时间
    Simulation* sim = get_Simulation();
    real currentTime = sim->getCurrentTime();
    
    // 获取区域和场数据
    Region* region = get_CurrentRegion();
    FieldData* energySourceField = get_FieldDataByName(region, "EnergySource");
    
    // 正弦波时间变化
    real frequency = 1.0; // Hz
    real amplitude = 1000.0; // W/m3
    
    // 计算当前时间下的源项幅值
    real sourceValue = amplitude * sin(2.0 * M_PI * frequency * currentTime);
    
    // 获取单元数量
    int numCells = region->getMesh()->getNumberOfCells();
    
    // 应用源项到所有单元
    for(int i = 0; i < numCells; i++) {
        energySourceField->setCellValue(i, &sourceValue);
    }
}

编译和使用UDF的步骤

  1. 在STAR-CCM+中，转到"Tools" > “User Functions” > “Compile”
  2. 添加你的源文件(.c或.cpp)
  3. 点击"Compile"按钮
  4. 如果没有错误，UDF将被编译并可供使用
  5. 在相应的物理模型或边界条件设置中关联编译后的UDF

常用API说明

  • get_CurrentRegion(): 获取当前区域
  • get_IndexedMesh(region): 获取索引网格
  • get_FieldDataByName(region, "FieldName"): 按名称获取场数据
  • field->getCellValue(index, value): 获取单元值
  • field->setCellValue(index, value): 设置单元值
  • field->getBoundaryValue(boundary, faceIndex, value): 获取边界值
  • field->setBoundaryValue(boundary, faceIndex, value): 设置边界值
  • mesh->getCellCenter(index, coord): 获取单元中心坐标
  • mesh->getNumberOfCells(): 获取单元数量

注意事项

  1. 确保包含正确的头文件
  2. 检查字段名称是否正确
  3. 处理可能的空指针情况
  4. 考虑并行计算时的数据分布
  5. 使用STAR-CCM+提供的real类型而不是float或double

通过以上示例和方法，你可以在STAR-CCM+中实现复杂的自定义功能，访问和修改模拟中的各种场数据和网格数据。

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