Fluent下电弧、激光、熔滴一体模拟：UDF的神奇魔法

Fluent中多物理场耦合模拟UDF应用

原创于 2025-12-10 19:15:00 发布 · 238 阅读

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Fluent电弧，激光，熔滴一体模拟。 UDF包括高斯旋转体热源、双椭球热源（未使用）、VOF梯度计算、反冲压力、磁场力、表面张力，以及熔滴过渡所需的熔滴速度场、熔滴温度场和熔滴VOF。

在材料加工等诸多领域，电弧、激光与熔滴的相互作用模拟至关重要，而Fluent在这方面为我们提供了强大的平台，特别是结合自定义函数（UDF），更是如虎添翼。今天咱就唠唠Fluent下的电弧、激光、熔滴一体模拟，以及那些亮眼的UDF。

热源相关UDF

高斯旋转体热源

高斯旋转体热源模型在模拟中用于精准描述热源分布。在UDF代码里，咱得这么来定义热源的强度分布：

#include "udf.h"

DEFINE_HEAT_FLUX(gauss_rotational_source, cell, t)
{
    real x[ND_ND];
    real r, q, q0, a, b, c;
    Thread *t0 = Lookup_Thread(domain, 0);

    /* 获取当前计算单元的坐标 */
    F_CENTROID(x, cell, t);

    /* 设定高斯热源参数 */
    q0 = 10000;  // 峰值热流密度
    a = 0.01;
    b = 0.01;
    c = 0.01;

    r = sqrt(pow(x[0] - 0.5, 2) / a + pow(x[1] - 0.5, 2) / b + pow(x[2] - 0.5, 2) / c);
    q = q0 * exp(-r);

    return q;
}

这里代码的核心就是通过计算每个单元到热源中心的距离r，然后按照高斯分布公式q = q0 * exp(-r)来确定该单元的热流密度q。这个热源模型就好比给材料加热的“画笔”，精准地涂抹热能量。虽然双椭球热源在本次模拟未使用，但它也是材料加工模拟里常用的热源模型，感兴趣的朋友可以自行研究。

界面相关UDF

VOF梯度计算

VOF（Volume of Fluid）方法用于追踪自由表面，VOF梯度计算UDF对于准确捕捉界面位置和形状变化至关重要。

#include "udf.h"

DEFINE_ADJUST(vof_gradient_adjust, domain)
{
    Thread *t;
    face_t f;

    begin_f_loop(f, t)
    {
        real *alpha = F_VOF(f, t);
        real grad_alpha[ND_ND];

        /* 计算VOF梯度 */
        C_VOF_GRADIENT(grad_alpha, C_THREAD(f, t), f);

        /* 根据梯度进行一些界面处理，比如表面张力计算的预处理 */
        // 这里可以添加更多关于梯度应用的逻辑
    }
    end_f_loop(f, t)
}

这段代码通过遍历每个面，利用CVOFGRADIENT宏来计算VOF梯度grad_alpha。这个梯度信息对于后续表面张力等力的计算起着关键作用，就像是给界面形状变化安装了一个“导航系统”。

力相关UDF

反冲压力、磁场力与表面张力

反冲压力UDF可模拟由于材料蒸发等产生的反向压力。磁场力UDF则在有磁场作用的模拟场景中不可或缺，表面张力UDF通过VOF梯度等信息来计算作用在界面上的力。

反冲压力UDF示例

#include "udf.h"

DEFINE_SOURCE(recoil_pressure_source, cell, thread, dS, eqn)
{
    real rho = C_R(cell, thread);
    real vel[ND_ND];
    C_V(cell, thread, vel);
    real v_mag = NV_MAG(vel);

    real recoil_pressure = rho * v_mag * v_mag;

    dS[eqn] = 0;
    return recoil_pressure;
}

此代码根据当地密度rho和速度v_mag计算反冲压力，为模拟提供一个反向作用力，就像火箭发射时的反推力一样影响着材料的流动。

熔滴相关UDF

熔滴速度场、温度场和熔滴VOF

为了模拟熔滴过渡，我们需要定义熔滴的速度场、温度场以及VOF相关UDF。

熔滴速度场UDF示例

#include "udf.h"

DEFINE_PROFILE(droplet_velocity, thread, position)
{
    real x[ND_ND];
    real vel[ND_ND];
    begin_profile_loop(thread, position)
    {
        F_CENTROID(x, i, thread);

        /* 简单设定熔滴速度 */
        vel[0] = 1;
        vel[1] = 0;
        vel[2] = 0;

        F_PROFILE(i, thread, position) = vel[position];
    }
    end_profile_loop(thread, position)
}

这段代码为熔滴所在区域设定了一个简单的速度场，让熔滴能够按照我们设定的方向和速度“流动”。温度场UDF和熔滴VOF UDF也类似，分别对熔滴的温度分布和界面进行控制和追踪。