__________________________________________________________________________________________
Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW
Mirosław Seredyński,

[e-mail]

Piotr Łapka,

[e-mail]

Modelowanie łopatki turbiny – modyfikacja warunków
brzegowych oraz własności materiałowych przez
zastosowanie user-defined functions (UDF)

1.

Informacje ogólne

User-define functions (UDF) to tworzone przez użytkownika programy, które mogą być

dynamicznie dołączone do FLUENTa. UDF są pisane w języku C lub C++. UDF musi zawierać makra
DEFINE oraz inne funkcje zdefiniowane w programie FLUENT, które pozwalają na dostęp do danych
generowanych przez ten program.

UDF mogą być dołączone w postaci funkcji interpretowanych oraz kompilowanych. Funkcje

interpretowane są dołączone i kompilowane w trakcie wykonywania obliczeń natomiast funkcje
kompilowane są to gotowe programy skompilowane i dołączone do FLUENTa w trakcie
wykonywania obliczeń.

UDF stosuje się w celu dopasowania warunków brzegowych, modelowania zmiennych

własności materiałowych, dodania nowych członów źródłowych w równaniach transportu, w celu
inicjalizacji obliczeń. UDF pozwalają na rozwijanie modeli dostępnych w pakiecie FLUENT, jak
również pozwalają na zwiększenie możliwości tzw. post-processing’u.

2.

Stosowanie UDF

UDF może mieć dostęp do wielkości obliczeniowych w poszczególnych węzłach w obszarze i

w węzłach na brzegach tylko przez predefiniowane makra oraz funkcje. Komórki w obszarze
obliczeniowym oraz węzły na brzegu posegregowane są w grupy. UDF wymaga określenia grupy, w
której będą wprowadzane zmiany. Odbywa się to przez wskaźnik thread zmiennej typu Thread
(zdefiniowane w FLUENCIE). Wskaźnik ten wskazuje grupę, która będzie modyfikowana przez UDF.

Rysunek 1 Struktura przechowywania danych w FLUENCIE

__________________________________________________________________________________________
Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW
Mirosław Seredyński,

[e-mail]

Piotr Łapka,

[e-mail]

Dodatkowe zmienne wprowadzone w FLUENCIE związane z danymi przechowywanymi na

siatce (rys. 1):

Cell_t – typ danych reprezentujący komórkę w grupie thread

Face_t – typ danych reprezentujący węzły na brzegu w grupie thread

Thread – typ reprezentujący grupę komórek wewnątrz obszaru bądź grupę węzłów przypisanych do
określonego fragmentu brzegu

Domain – typ reprezentujący cała siatkę

Node – typ reprezentujący węzły

Poniżej przedstawiono wybrane makra predefiniowane w FLUENCIE:

DEFINE_PROFILE(nazwa_UDF, thread, index) – makro pozwalające na przypisanie określonych
warunków brzegowych do wszystkich węzłów brzegu wskazanego przez zmienną thread. Zmienna
nazwa_UDF to nazwa UDFa nadana przez użytkownika, identyfikująca warunek brzegowy. Zmienna
thead jest automatycznie inicjalizowana w momencie przypisania UDF do określonego brzegu w
FLUENCIE. Zmienna index jest generowana automatycznie i oznacza wielkość, która będzie
modyfikowana (temperatura, ciśnienie itd.)

DEFINE_PROPERTY(nazwa_UDF, cell, thread) – makro, które modyfikuje wartość zmiennej
materiałowej w określonej komórce cell w grupie thread.

F_CENTROID(x,f,thread) – makro przypisujące zmiennej real x[ND_ND] gdzie ND_ND liczba
wymiarów współrzędnej środka komórki f typu Face_t w grupie thread wskazującej brzeg.

F_PROFILE(f, thread, index) – makro modyfikujące wielkość określoną przez index w komórce f
typu face_t w grupie thread wskazującej brzeg.

C_T(cell, thread) – makro odczytujące wartość temperatury w komórce cell typu Cell_t z grupy
thread wskazującej wnętrze obszaru.

begin_f_loop(f, thread)
{
}
end_f_loop(f, f_thread) – makro wykonujące pętle po wszystkich komórkach f typu Face_t w grupie
thread wskazującej brzeg.

Do każdego pliku UDF musi być dołączony plik udf.h. Plik ten zawiera definicje funkcji oraz

makr przedefiniowanych w FLUENCIE.

3.

Uruchomienie UDF jako funkcji interpretowanych

Aby dołączyć UDF należy wejść do Define −> User-Defined −> Functions −> Interpreted...

Następnie wskazać kod źródłowy i kliknąć Compile (plik z kodem nie może znajdować się w
katalogu z spacją w nazwie!). Zaznaczyć opcję Display Assembly Listing. Jeżeli będą błędy w
kodzie to w oknie dialogowym pojawi się komunikat o błędzie.

Po skompilowaniu UDFa zdefiniowane przez użytkownika funkcje (warunki brzegowe,

własności materiałowe itd.) są widoczne po wybraniu odpowiednich warunków brzegowych,
własności materiałowych itd. w towarzyszących im listach rozwijalnych.

__________________________________________________________________________________________
Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW
Mirosław Seredyński,

[e-mail]

Piotr Łapka,

[e-mail]

4.

Opis problemu

GAMBIT

•

Należy stworzyć model łopatki wykorzystując podane punkty – plik vane.dat (zawiera
współrzędne x i y punktów definiujących profil). Nie należy wprowadzać punktów
ręcznie, trzeba odpowiednio zmodyfikować zbiór punktów a następnie wczytać do
programu: File −> Import->Vertex Data. Modyfikacja ma polegać na dodaniu do
każdego punktu współrzędnej z. Punkt spiętrzenia ma współrzędne: (0.0;0.0),
natomiast punkt spływu: (4.6828;-1.0423e+01).

•

Stworzyć kanały chłodzące łopatkę – promień 0.4, położenie (0.75;-0.25), (1.25;0.75),
(2.25;-2.0), promień 0.25, położenie (2.9;-4.0), promień 0.20, położenie (3.4;-5.5).

•

Zdefiniować funkcję służącą do zagęszczenia siatki w okolicach kanałów chłodzących
i krawędzi spływu wykorzystując Size Function (Fixed, źródło - krawędzie okręgów
kanałów chłodzących, Start size 0.05, Growth rate 1.1, Size limit 0.5 oraz Fixed,
ź

ródło – punkt spływu, Start size 0.05, Growth rate 1.02, Size limit 0.5).

•

Utworzyć siatkę trójkątna.

•

Warunki brzegowe: WALL – dwie krawędzie górna i dolna (od punktu spiętrzenia do
krawędzi spływu), kanały chłodzące – razem 7 warunków WALL, wnętrze to SOLID.

FLUENT

Główne założenia

•

Przeskalować przyjmując skale w kierunki x i y równą 0.02.

•

Segregated, stan ustalony, włączyć równanie energii, materiał to tytan, temperatura gazu
opływającego łopatkę 1250K. Temperatura czynnika w kanałach chłodzących: trzy
pierwsze 350K, kolejne 300K. Współczynnik przejmowania ciepła na górnej krawędzi
przyjąć stały równy 400W/(m

2

K) a na dolnej 350W/(m

2

K)

•

Rozwiązywane będzie tylko równanie energii.

1.

Obliczenia dla zmiennego współczynnika przejmowania ciepła

Przy użyciu pliku UDF i makra DEFINE_PROFILE zadać zmienny współczynnik przejmowania

ciepła na powierzchniach łopatki:

•

górna powierzchnia - współczynnik alfa jest opisany wzorem:

2

6.25

87.5

600

g

s

s

α =

−

+

W/(m

2

K)

gdzie:

2

2

/ 0.02

s

x

y

=

+

2

2

x

y

+

- odległość punktu o współrzędnych (x,y) leżącego na profilu od początku układu

współrzędnych (od punktu spiętrzenia)

•

dolna powierzchnia

2

4.1666

70.8333

600

d

s

s

α

=

−

+

W/(m

2

K)

__________________________________________________________________________________________
Laboratorium Metody Numeryczne w Wymianie Ciepła, Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa, PW
Mirosław Seredyński,

[e-mail]

Piotr Łapka,

[e-mail]

2.

Obliczenia dla zmiennego współczynnika oraz zmiennej temperatury
gazu otaczającego

Przy użyciu pliku UDF i makra DEFINE_PROFILE zmienić temperaturę gazu opływającego:

1250 15

T

s

=

−

K

•

Zmiana właściwości materiałowych

Przy użyciu pliku UDF i makra DEFINE_PROPERTY zmienić przewodność cieplną tytanu:

3

( )

7.4 1.1

10

k T

T

−

=

+

⋅ ⋅

W/(mK)

UDF TEMPLATE’s

#include "udf.h"

DEFINE_PROFILE (nazwa, thread, index)
{

real x[ND_ND];

real s;

face_t f;

begin_f_loop(f, thread)

{

F_CENTROID(x,f,thread);

//zmienić wartość na brzegu wykorzystując makro F_PROFILE(f, thread, index) = …..

}

end_f_loop(f, thread)

}

DEFINE_PROPERTY(nazwa, cell, thread)
{

// funkcja C_T(cell, thread) zwraca wartość temperatury w komórce cell
return ; //podać wartość zwracaną

}