基于Fluent求解器进行二次开发到底怎么做?

作者 | 小田老师 仿真秀年度优秀讲师

首发 | 仿真秀App

Ansys Fluent软件作为通用的流体仿真软件，功能模型虽然多而全，但是缺乏相应的行业专业性。同时仿真分析具有一定的技术门槛，既需要技术人员具备行业基础，也需要积累相关仿真经验，对软件操作要有较高的熟练度，所以对企业技术人员来说，学习周期长入门难度大。定制化的二次开发可以将技术、行业经验与仿真流程封装成仿真模板工具，用户仅需输入工况参数，后台自动执行仿真计算，便得到需要的仿真结果；既解决了行业性问题，也降低了仿真门槛，同时也是数字化资产的沉淀。Ansys IcePak软件大家都有听过吧，它是针对电子行业的散热分析软件，本身就是基于Fluent求解器进行二次开发，融合了电子行业规范、热分析流程等形成的专业工具。

Ansys IcePak基于Fluent求解器开发二、二次开发概述

1、二次开发方向

（1）添加新功能通过C语言进行UDF（用户自定义函数）开发，添加自定义物理模型、边界条件和材料属性等，后续可以通过ACT或者Scheme界面开发进行封装。

（2）仿真模板开发对成熟的仿真流程进行自动化脚本开发，然后通过界面开发及软件封装技术，将外部知识、其他仿真工具、仿真流程和标准规范进行集成，形成定制化仿真工具。

通常来说，Fluent中物理模型能满足绝大多数场景需要，所以实际开发多以仿真模板开发为主。

2、开发技术路线

开发过程可以分为项目调研、软件设计、软件开发和软件测试四个阶段；其中最为核心的就是脚本开发、界面开发和软件封装的技术。

三、脚本开发技术

Fluent提供文本用户命令(TUI命令)和界面用户命令(GUI命令)，两者都是基于Scheme语言编写。对于大多数Fluent的GUI操作，都有一个相关的TUI命令对应，而有很多其他的操作只能通过TUI命令完成。下面我们来详细介绍下TUI命令。

1、TUI命令输入在界面右下角处的控制台(Consle)窗口，按<Enter>键查看当前选项，然后通过输入完整的命令或者子菜单命令。输入”q”字符然后<Enter>可以返回TUI树上一级，如下所示。

2、TUI日志录制

Fluent支持TUI日志文件的录制，便于自动和批量重复仿真工作，具体操作如下：

• ① 点击File > Write > Start Journal(或输入TUI命令：file start-journal )，设置日志文件存放位置和名称，扩展名为*.jou。
• ② 通过GUI界面或者是输入TUI命令来进行仿真流程设置，Fluent后台会自动记录GUI操作和输入的TUI命令。
• ③ 录制完成后，点击 File > Write > Stop Journal(或输入TUI命令：file stop-journal )，停止日志文件录制。

录制文件内容会取决于我们是通过GUI操作还是TUI命令来完成。下面例子显示了不同方式进行网格读取操作记录的命令文本。显然，通过输入TUI命令录制的日志文件更容易阅读，也更简洁；同时，TUI命令不是上下文敏感的，这是GUI操作生成日志的一个缺点。

这里的上下文敏感指的是，如果你在点击记录之前打开面板，然后修改面板，操作将被记录。如果在没有打开该面板的情况下重播日志，则日志可能无法运行，因为修改该面板的命令毫无意义。所以推荐大家采用输入TUI命令方式录制脚本。

3、TUI命令帮助Fluent帮助文档中有一个文本命令列表，用于帮助设置正确的TUI命令。

4、自动补全

2019R1版本后支持TUI命令的自动补全，可以通过File→Preference打开设置窗口，勾选上Console auto-completer选项，然后确定后即可。通过自动补全明显提高开发效率。

5、通配符

为了在Fluent中创建通用脚本，我们可以灵活地使用通配符进行更复杂的操作。通配符允许根据前缀、中缀或后缀选择多个边界或单元区域，如Fluid*、* Fluid*或*Fluid。

• * ：表示会选择所有可能的实体；
• (*) ：表示选择所有实体并结束列表；
• (*fluid*) ：表示将选择所有包含“fluid”字符串的实体并结束列表。

使用通配符对于编写通用脚本非常有用，我们可以根据命名约定设置预处理或后处理边界；逗号“，”符号将接受TUI参数的默认值，并且“()”可用于结束列表输入。

我们来看一个案例：如报告所有前缀为car*的墙壁区域x方向的力，输入TUI命令的过程及参数如下：

• 对应完整的TUI命令为：/report/forces/wall-forces no car* () 1 0 0 ，
• 通过使用GUI操作：Results → Reports → Forces，可以与完整TUI命令输入控制台得到一样结果。

6、Scheme脚本

只要了解TUI命令的结构，编写TUI日志是很简单的；但是，TUI日志具备明显的缺陷，就是TUI本质是基于Scheme封装的文本命令，是无法进行流程控制，而且代码复用性差。Scheme是一个完整的语言，具备数据结构、流程控制、函数编程的功能，通过将Scheme脚本与TUI命名相结合，可以让脚本更加智能化、复用性更好。

（1）Scheme数据类型

• Boolean – 布尔类型
• Number – 数字类型
• Character – 字符类型
• Symbol – 符号类型
• Strings – 字符串类型
• Vectors – 向量类型
• Pairs and lists – 点对和列表

其中最常用的是Boolean、Number、Strings和lists类型，不同类型有对应的函数方法，可以参见《MIT/GNU Scheme Reference Manual》，关注仿真秀公众号，后台回复“Fluent Scheme”获取；

（2）参数定义

Scheme为动态数据类型，通过define函数声明和定义变量，通过set!函数可更改变量值。

7、Scheme与TUI

Fluent中提供ti-menu-load-string函数来调用TUI命令，这样就能将TUI命令嵌入到Scheme脚本中，去进行流程控制，方式如下：

8、format函数

在结合Scheme和TUI日志开发脚本代码时，format是使用最多的函数命令，通过格式化字符串转换，很方便去替换TUI文本中的参数值，已达到对TUI日志进行封装的效果。

我们可以使用format格式化替换以下字符：

• ~a ：直接替换显示，适用所有数据类型
• ~s ：字符串显示，带双引号“”
• ~d ：数字类型表示
• ~f : 浮点数表示法，指定有效数字，如~5.2f

9、脚本函数封装

使用Scheme脚本为我们提供函数封装的能力，可以将执行的一系列命令放入函数中，对外使用只需暴露函数的签名，更好得去梳理代码的结构。例如，我们使用如下命令，设置入口边界inlet的速度1.0m/s，温度为290K；

可以使用Scheme脚本对上面TUI命令进行函数封装，并对边界名称、速度大小和温度值进行参数提取，如下：

函数封装到了好处就是提升复用性，比如模型有多个入口边界，但是入口速度和温度不一样，都可以通过函数去调用设置，如入口边界inlet-hot速度为0.8m/s，温度为320k，直接调用函数命令(set-inlet-bc “inlet-hot” 0.8 320)去设置，是不是非常方便呢。

10、Fluent中Scheme API

Fluent脚本环境中封装了非常多Scheme方法，通过以下方法可以将the-environment环境中的函数名写入到fluent-env.txt文件中。

将写入文本进行换行处理，可以得到以下内容：记录着Fluent环境中预定义的Scheme函数名，但是并未给出函数调用的参数和类型，官方也是没有开发文档对其进行解释；这里说明下Scheme脚本Ansys官方是不提供任何技术支持的。

因为Scheme是底层脚本接口，是面向开发者而不是面向用户的，TUI日志可以满足用户的大多数需要，但是预定义Scheme API却能为开发者提供极大便利性和更强大功能。这里有一个比较笨的方法分享给大家，可以在Console中去尝试获取参数：可以先无参数调用方法，如果参数错误的都会有相应提示，然后根据提示补充相应参数再尝试。

在实施开发项目中，整理了部分Fluent中预定义Scheme API的说明和使用方法，计划在后续的文章或者课程中给大家分享和讲解。

四、界面开发技术

脚本开发完成后，通常都需要开发图形用户界面去交互；在Fluent二次开发中有三种开发形式，对应不同交互方式：

• Scheme脚本工具
• ACT插件开发
• 外置界面集成

1、Scheme脚本工具Fluent Scheme API中提供函数去创建菜单、对话框和窗体界面等，界面嵌入在Fluent中，优点是可直接与Fluent界面交互，实时双向的数据传递。

但是Scheme脚本开发工具的代码开发难度大，因为无法可视化设计界面，而且官方提供的文档相对简单，需要深入了解Scheme语言，对于工程师朋友来说不太推荐。

2、ACT插件开发在Fluent 16.0之后版本，Ansys为其添加了ACT插件扩展的支持，界面嵌入在Fluent软件的右侧，可直接与Fluent界面交互，可实现实时双向数据传递。通过定义XML+Python方式，使用XML定义界面，使用Python和Scheme去开发脚本功能，实现快速仿真流程封装，可实现Fluent仿真从网格 → 设置 → 求解 → 后处理的自动化。详情可参考：《ANSYS ACT宝典》带你快速上手仿真向导开发全流程.

ACT的开发方式更为灵活，同时采用XML和Python语言，可以可视化设计界面，对于工程师朋友来说更加友好，上手学习起来更快，是推荐的开发方式，在这期直播中小田老师会以实际案例，带着大家上手开发一个ACT插件，熟悉开发流程（详情见后文）。

3、外置界面集成采用外置界面开发，界面是独立于Fluent软件中，是全封装形式，通常采用批处理调用方式，即界面提供参数输入，仿真过程读取脚本后在后台顺序执行命令，中间与Fluent图形窗口无交互，数据间传递不是实时双向传递的。

外置界面开发可以采用界面框架非常多，比如说.NET的WinForms、跨平台的QT框架、Tkinter界面框架等，大家可以根据自己喜好选择。小田老师在日常项目开发中，喜欢使用Qt框架，主要看重其跨平台和信号-槽机制，使用QtDesigner可以可视化设计界面，同时采用Qt For Python项目的PySide2模块，能使用Python语言去快速开发界面，对于工程师朋友是非常友好的，上手更快。

五、集成封装技术

针对上述三种开发方法，涉及到的集成封装技术各有不同，下面简单和大家讲解下集成封装技术。

1、Scheme脚本封装在如下示例代码中，通过为Panel窗口的按钮绑定回调函数update-cb，实现界面OK按钮点击后获取输入然后执行脚本命令完成操作。

2、ACT插件封装在ACT中API访问入口为ExtAPI，首先需要获得scheme脚本控制器实例，命令如下：

接着通过XML定义的<onupdate>回调函数为update_callback，然后在Python文件中实现回调函数，实现获取界面输入，最后执行Scheme脚本代码。

3、外置界面封装

外置程序独立于Fluent，通常是采用批处理方式调用Fluent进程，然后执行脚本文件进行仿真操作，流程如下所示。

这里就不得不说一下Fluent中批处理调用参数：在Windows系统的后台运行ANSYS Fluent，可以使用以下命令:

上述命令中：

• fluent是输入以交互方式运行的命令，需将<ansys_dir>\fluent\ntbin\win64添加到系统环境中。
• 3ddp 表示3D双精度，其他选项为3d、2d和2ddp。
• -tx 表示求解器与x核并行。
• -meshing 表示启动到Fluent Meshing模式。
• -ty 表示网格划分与y核并行。
• -g表示要在任务栏中最小化地运行程序。
• -i journal表示读取指定的日志文件。
• wait是在DOS批处理文件或其他脚本中键入的命令，必须等待ANSYS Fluent完成后才能运行。
• -hidden表示运行ANSYS Fluent，完全隐藏，无交互。

如果使用Python调用的话，推荐使用subprocess模块下的Popen方法，如下：

在界面集成封装时候，有一个非常关键技术点，就是需要使用多线程技术：为仿真调用开一个工作线程，避免调用时堵塞主线程出现界面未响应情况。

（完）