fluent模拟物质浓度udf

Question

利用fluent做降解模拟，请问物质浓度随时间变化的udf该怎么写，物质的降解速率r满足一级动力学模型

Answer 1

该回答引用ChatGPT4o及杨同学*共同作答, 如有帮助，还请采纳。
在 Fluent 中进行物质降解的模拟，通常需要用到自定义用户定义函数（UDF），以定义物质浓度随时间变化的规律。这个 UDF 可能涉及物质的传递方程以及与时间相关的降解反应。以下是一个简化的 UDF 范例，它定义了一个随着时间变化的物质浓度的降解模型。

1. 基本的降解模型假设

我们假设物质浓度随时间的变化是由一阶降解反应控制，方程为：
[
\frac{dC}{dt} = -kC
]
其中：

• (C) 是物质的浓度。
• (k) 是降解速率常数。

2. UDF 编写步骤

(1) 定义变量：

你需要定义一个随时间衰减的浓度变化。可以通过 DEFINE_ADJUST 或 DEFINE_SOURCE 宏来更新浓度场。

(2) 定义UDF：

使用 C 语言编写一个 UDF，可以实时计算物质的浓度变化。

3. UDF代码示例

下面的 UDF 示例展示了如何基于一阶动力学模型来实现物质浓度随时间的变化。该 UDF 使用 DEFINE_ADJUST 宏来每个时间步长更新浓度场：

#include "udf.h"

/* 定义降解常数 */
#define K_DEGRADATION 0.001 /* 降解速率常数，可根据需要调整 */

/* 定义调整函数，更新浓度随时间的变化 */
DEFINE_ADJUST(update_concentration, domain)
{
    Thread *t;
    cell_t c;
    real concentration, source_term;
    real time_step = CURRENT_TIME;  /* 获取当前时间步长 */

    /* 遍历所有流体单元 */
    thread_loop_c(t, domain)
    {
        /* 遍历每个单元中的浓度，并更新 */
        begin_c_loop_all(c, t)
        {
            /* 获取当前单元中的物质浓度 */
            concentration = C_YI(c, t, 0);  /* 物质1的质量分数 (Yi)，这里假设物质是物质1 */

            /* 基于降解速率常数计算新的浓度 */
            concentration = concentration * exp(-K_DEGRADATION * time_step);

            /* 更新新的物质浓度 */
            C_YI(c, t, 0) = concentration;  /* 更新物质1的质量分数 */
        }
        end_c_loop_all(c, t)
    }
}

4. UDF 分析：

• DEFINE_ADJUST：此宏定义了一个 UDF，允许你在每个时间步长调整物质的浓度。domain 参数用于引用整个计算域。
• C_YI(c, t, 0)：这是访问单元中质量分数的 Fluent 宏。这里假设你感兴趣的物质是物质1（索引为0），你可以根据实际情况调整这个索引。
• exp(-K_DEGRADATION * time_step)：这是一阶动力学的解，用于更新浓度。

5. 如何使用此 UDF：

1. 将 UDF 保存为 .c 文件。
2. 在 Fluent 中编译 UDF：
   • 打开 Fluent，进入**"User-Defined Functions"**菜单。
   • 选择**"Compiled UDF"**，然后添加 .c 文件并编译。
3. 编译成功后，进入 "User-Defined Functions" > **"Function Hooks"**，将 UDF 绑定到 "Adjust" 函数，以便在每个时间步运行时调用它。

6. 对于降解反应源项的实现：

如果你还需要在传递方程中加入源项（比如降解生成某种物质或被消耗），可以使用 DEFINE_SOURCE 宏。以下是简单的一阶降解源项的UDF：

#include "udf.h"

#define K_DEGRADATION 0.001  /* 降解速率常数 */

/* 定义源项函数 */
DEFINE_SOURCE(degradation_source, c, t, dS, eqn)
{
    real source;
    real concentration = C_YI(c, t, 0);  /* 获取当前单元中的物质浓度 */

    /* 计算降解源项，负号表示降解 */
    source = -K_DEGRADATION * concentration;

    /* 返回源项值 */
    return source;
}

• DEFINE_SOURCE：定义了一个源项函数，它在解传递方程时被调用。
• C_YI(c, t, 0)：用于访问单元中的质量分数，这里依然假设是物质1（索引为0）。
• 源项 source = -K_DEGRADATION * concentration，与降解速率常数成比例，表示浓度随时间的减少。

在 Fluent 中，将此 UDF 绑定到你所需的物质的传递方程上，以便它能参与到解的过程中。

7. 总结

• 上面的两个 UDF 示例分别展示了如何通过 调整 现有的物质浓度场，以及如何通过传递方程中的 源项 来模拟物质的降解过程。
• UDF 使用的核心是 Fluent 提供的各种宏和访问浓度的函数，你可以根据具体的物理化学反应方程进行扩展和修改。

通过这些方法，你可以实现物质浓度随时间变化的降解模拟。如果降解模型更加复杂，可能需要更复杂的源项和调整函数。