CFX之CEL语言介绍

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1、在CFX中,CFX表达式语言CFX Expression Language ：CEL作为一种解释性和说明性的语言嵌入到CFX中.利用CEL,用户可以提高分析模拟的功能,而不需要使用外部分离的Fortran子程序.在ANSYS的CFX程序中,只要是可以输入值的地方就可以使用CEL表达式进行输入.CEL的适用范围：通过变量定义材料属性；设定复杂的边界条件；对于求解方程增加求解项.用户也可以使用监测点功能,在求解过程中对于某个CEL表达式进行监测.注意：有些CEL表达式只能在ANSYS的CFX中使用,而不能使用在CFD的后处理中.任何在CFX前处理器中创建的CEL表达式并作为设计浏览器Design

2、Exploration中的输出参数,在设计浏览器运行的过程中可能导致致命的错误；所以,若用户需要进行设计浏览,则需要在CFD-Post后处理中创建所需所有的设计变量.本读本包含如下内容：1、 CEL基础.2、 CEL操作符,常量和表达式.3、 CEL的例子.4、 CEL技术细节.23 / 231、 CEL基础值和表达式利用CEL可以创建值变量和表达式.值变量可以是带量纲的,也可以是不带量纲的.例如下面这个最简单的不带量纲的变量：b = 3.743用户也可以创建具有量纲的变量,如下：g = 9.81 m s-2在CFD计算过程中,变量的量纲是具有意义的,它们表征了质量,长度,时间,温度或者角度的

3、信息.量纲也是理解值和表达式的基础概念之一.在CEL中,值可以直接指定,也可以作为表达式的一部分.例如,用户可以使用两个值变量求和形成一个表达式：=+在本例中,用户可能希望将和相加并赋值给,若只是两个无量纲的变量进行相加用户不需要考虑量纲的问题；但是这两个变量具有量纲则需要考虑量纲的问题了.表达式可以由之前已定义的表达式进行定义,例如：=+在CFX中进行表达式求值往往需要进行单位装换,在缺省状态下使用公制单位制SI单位制,这样用户就可以使用任何自己的单位制了.若某个表达式未设定自己的单位字符串,但是引用的变量中有的是具有单位的,则结果表达式的单位由引用的变量或表达式计算后的量纲所决定.例如：某

4、个表达式引用了x坐标平方的倒数,则隐式的使用了长度的-2次方单位.在表达式中使用定位符在CFX模拟过程中,具有物理面和网格面的概念：物理面：在CFX中表征物理边界条件的面称之为物理面；网格面：在CFX中在几何拓扑结构中划分网格的面称之为网格面.在模拟过程中,这两种类型的面可能占据完全不同的几何区域；然而,并不需要将物理面和网格面的名称完全区分开,这样只会在表达式使用过程中造成混淆.为了避免混淆,在CFX使用进行物理面和网格面的区分.若在面名称中找到了定位符则表示是一个物理面；若未找到则在网格面的列表中进行查找.例如：in1既是一个物理面的名称,可能也是一个网格面的名称,则表示使用的是一个物理面

5、.在CFX中,用户可以使用REGION参数表示某个命名的面是网格面.例如,为了表示网格面in1,可以使用如下表达式：REGION:in1注意：若定位符不是作为物理面或者网格面的表达式而出现,则该表达式无效.CEL语句CEL语言是一种说明性的语言.用户使用表达式语句进行表达式的申明和定义,并和Fortran以与C语言进行表达式定义的相一致：语句中必须包含如下内容：The statement must consist of the following: 一个数,量纲可选,用于定义一个常量. 对于数学表达式,可能需要引用一个或者多个数学常量,变量,系统变量或者用户自定义的变量,并由+,-,*,/和运

6、算符进行连接,并用定义运算的优先级,这些规则和传统的数学运算规则一致. 对于关系表达式则包含关系运算符,一个或者多个数学常量或者从数学表示计算的结果,并由=,.=连接而成,并可以由可选的设定运算优先级. 对于逻辑表达式包含逻辑操作符,一个或者多个逻辑常量或者关系运算的结果,并通过！,&,|连接而成,并可以由可选的设定运算优先级.使用常量在表达式中使用常量并不需要预先定义,例如：可以使用x + 5 m进行表达式计算；或者用户也可以先定义一个常量b=5m,再创建一个表达式x+b.逻辑常量值为false和true.逻辑表达式的计算结果为0或者1,分别对应false和TRUE.推荐用户使用常量进行表达

7、式的定义,因为可能有多个表达式同时引用一个常量的情况,这样只需要修改常量表达式即可.表达式参数在CEL语言中,所有的数值均作为实数进行处理；并遵循如下从高到低的计算优先级顺序. 指数运算：xy. 单操作数的取负运算：-x. 乘除运算具有相同的优先级：x*y/z. 加减运算：x+y-z.逻辑运算和关系运算遵循如下从高到低的计算优先级顺序： 非运算：!x. 关系运算=, and =：x = y. 关系运算：x != y. 逻辑与运算：x & y. 逻辑或运算：x | y.多行表达式多行表达式有时是十分有用的,尤其是对于复杂的表达式,可以使用多行创建用户需要的表达式.在CFX中可以创建多行表达式,每

8、行需要用合适的分隔符进行分隔.例如：用户需要表达式A + B/C,其中A,B和C都是复杂的表达式.在这种情况下,可以使用三行进行表达式的书写：A +B/ C注意：第一行表达式A书写完成后用+结束,表达式B写在单独的一行上,而表达式C用/开头.一旦表达式书写完成,他将出现在表达式定义的列表中CEL中的操作符,常量和表达式操作符在CFX中提供了一定范围的数学,逻辑以与操作性的操作符,并以内建函数的形式帮助用户创建复杂的表达式.下表中列出了CEL表达式中所使用的操作符的详细信息.OperatorFirst Operands Dimensions xSecond Operands Dimensions

9、 yOperands Values Results Dimensions-xAnyAnyxx+yAnyxAny xx-yAnyxAny xx*yAnyAnyAnyx*yx/yAnyAny0 x/yxy Any DimensionlessAnyaxyxy Any Dimensionlessx 0xyxy DimensionlessDimensionlessx 0Dimensionless!x Dimensionless0 or 1Dimensionlessx = y Any x0 or 1Dimensionlessx yAny x0 or 1 Dimensionlessx = yAny x0 o

10、r 1Dimensionlessx = yAny x0 or 1Dimensionlessx != y Any x0 or 1Dimensionlessx & yDimensionlessDimensionless0 or 1Dimensionlessx | yDimensionlessDimensionless0 or 1Dimensionlessa For y 0, x must be non-zero. if条件语句CEL supports the conditional if statement using the following syntax: 在12版的CFX中提供了if条件语

11、句,而在以往的CFX中是使用step函数实现的条件判断功能.if语句的使用格式如下：if其中： cond_expr: 用于进行测试的逻辑表达式. true_expr: 当逻辑表达式为真时所执行的数学运算表达式. false_expr : 当逻辑表达式为假时所执行的数学运算表达式.注意：true_exp以与false_expr表达式无论逻辑表达式是真还是假时均单独运算.其结果是条件表达式在这样的表达式if0, 1/x, 1.0中不能避免除零错误,当x=0时,而无论x0的条件是否满足表达式1/x也会执行.CEL常量在表达式列表的详细视图中右击鼠标可以访问CEL常量,列表如下：ConstantUni

12、tsDescriptionRJK-1mol-1Universal Gas Constant: 8.314472avogadromol-16.02214199E+23boltzmannJ K-11.3806503E-23clightm s-12.99792458E+08eDimensionlessConstant: 2.7182817echargeA sConstant: 1.60217653E-19epspermo1./gms-2Acceleration due to gravity: 9.8066502mupermoN A-24*pi*1.E-07piDimensionlessConstan

13、t: 3.141592654 planckJ s6.62606876E-34stefanW m-2 K-4 5.670400E-08表达式的使用CEL表达式的使用分为两个阶段： 定义CEL表达式 引用CEL表达式CEL表达式的定义阶段是指使用值集以与合法的参数创建表达式的过程,利用表达式详细视图可以帮助用户创建表达式.使用温度的偏移量在表达式中使用温度值的时候,一般较安全的方式均采用K作为温度单位.设想一下若需要将K的温度单位进行偏移并转变成C单位,这样的装换是在内部进行的,例如：下面的四个语句等价：Temperature = 30 CTemperature = 303.15 KTempera

14、ture = 0 C + 30 KTemperature = 273.15 K + 30 K因为在CFX程序内部C单位和K是兼容的并在内部做了单位转化,但是下面的语句和上面的效果不同：Temperature = 0 C + 30 C上面的语句等价于将Temperature设定为576.3K,这是因为在CFX内部首先将0C和30C分别转化为273.15K和303.15K,之后再进行相加操作；所以和用户设想的结果产生了偏差.但是下面的两个语句等价：Specific Heat = 4200 J kg-1 C-1Specific Heat = 4200 J kg-1 K-1例子1：基于粘度的雷诺数在本

15、例中,我们假定某种流体的动力学粘度未知,但是雷诺数和入口速度以与长度比已知,流体为可压缩流即密度可变.根据上述信息,可以通过下面的公式计算流体粘度：其中：Re：雷诺数：流体密度U：入口速度L：长度比：流体粘度与上述公式等价的CCL语言如下：LIBRARY : CEL : EXPRESSIONS : Re = 4.29E6 Vel = 60 m s-1 L=1.044m Visc=areaAvein*Vel*L/Re END END MATERIAL : Air Ideal Gas Option = Pure Substance PROPERTIES : Option = Ideal Gas M

16、olar Mass = 2.896E1 kg kmol-1 Dynamic Viscosity = Visc Specific Heat Capacity = 1.E3 J kg-1 K-1 Thermal Conductivity = 2.52E-2 W m-1 K-1 END ENDEND这里共创建了4个CEL表达式,前3个表达式分别用于创建Re,Vel以与L,并在第四个表达式引用前3个表达式用于创建表达式Visc,其中areaAvein用于计算入口in的平均密度.完成Visc的表达式定义之后,就可以在MATERIAL PROPERTIES用于定义材料的粘度特性了.例子2：入口温度的反馈控

17、制在本例中通过改变入口的温度从而改变出口的温度,示意图如下：流体分别从主入口和侧边第一个入口流入,温度分别为275K和375K.侧边第二个入口的流体温度和出口温度相关,当出口温度大于325K,则该入口流体温度设定为275K；当出口温度小于325K,则该入口流体温度设定为375K.同时,使用一个表达式用于设定流体粘度和温度的线性关系.表示上述功能的CCL语言片段如下,注意在CCL文件中表示续行符.LIBRARY: MATERIAL: Water at STP Modified Option = Pure Substance PROPERTIES: Option = General Fluid D

18、ensity = 9.999E2 kg m-3 Dynamic Viscosity = VisT Specific Heat Capacity = 4.21E3 J kg-1 K-1 Thermal Conductivity = 5.69E-1 W m-1 K-1 END # PROPERTIES END # MATERIAL Water at STP Modified CEL: EXPRESSIONS: Tupper = 375.0 K # Upper temp. Tlower = 275.0 K # Lower temp. Visupper = 0.000545 N s m-2 # Vis

19、. at Tupper Vislower = 0.0018 N s m-2 # Vis. at Tlower VisT = Vislower+*/ # Vis.-Temp. relationship Tm=/2 Tout=areaAveoutlet Tcontrol=Tlower*step/1K +Tupper*step/1K END # EXPRESSIONS END # CELEND # LIBRARY其中：Tupper：温度上限.Tlower：温度下限.Visupper：在温度上限时流体粘度.Vislower：在温度下限时流体粘度.VisT：定义流体粘度和温度的线性关系.Tm：流体在出口

20、期望值,在本例中为两个入口温度的平均值.Tout：流体在出口的面积平均温度.Tcontrol：设定侧边第二个流体的入口温度,是通过step函数实现的.例子3：在CFX的后处理过程中使用表达式在本例中使用一个单值表达式用于计算流体流过管道的压力降.入口和出口的边界名称分别为inlet和outlet.dp = massFlowAveinlet massFlowAveoutlet完成表达式dp定义之后就可以在CFX-Post中计算压力降了.CEL中的数学运算函数下表中列出了标准的CEL函数FunctionOperands ValuesResults DimensionsabsAnyaacos Rad

21、iansasinRadiansatanaAnyRadiansatan2bAnyRadiansbesselJbDimensionlessbesselYbDimensionlesscos AnyDimensionlesscoshAnyDimensionlessexp AnyDimensionlessintcDimensionlessDimensionlesslogedDimensionlesslog10eDimensionlessmin AnyamaxAnyamodfAnyanintgDimensionlessDimensionlesssinAnyDimensionlesssinhAnyDimen

22、sionlesssqrta0.5step hAnyDimensionlesstaniAnyDimensionlesstanhAnyDimensionlessa atan does not determine the quadrant of the result, but atan2 does. b The value of the first dimensionless operand n, also referred to as the order of the Bessel function, must be an integer . The second argument is a di

23、mensionless real number. c The int function truncates the dimensionless argument to its integer part. Examples: int = 1int = 2int = -3int = -4d ln is valid as an alias for loge e log is valid as an alias for log10 f mod returns the remainder on dividing x by y; the function is not defined for y = 0.

24、 g The nint function requires a dimensionless argument and is defined as: int if x = 0int if x 0 See the implementation of int function in the table above. Examples:nint = 3nint = 3nint = 2nint = 1nint = -1nint = -2nint = -3nint = -3h step is 0 for negative x, 1 for positive x and 0.5 for x=0. x mus

25、t be dimensionless. i tan is undefined for x=n/2, where n=1, 3, 5, . CEL中的数量计算函数在CFD计算过程中,CEL表达式可以和专门的函数一起工作从而完成计算工作.注意：在进行加,减或者比较计算的同时需要保证单位的一致性.当在CEL表达式中调用这些函数的格式如下：.说明：用括起来的是可选项,其中：指定一个合法的相名称,该相可以是流体,粒子,固体,流体对或者离散流体.对于在CFX-Pre中的多相流,若在中未指定相名称,则相名称和域,子域,边界条件,初始化条件或者在中所使用的相连.：用于设定一个合法的材料组份,尺寸组或者反应.：

26、设定需要执行的运算,在函数后还可以增加_Coordinate_Direction的后缀.在CFX-Pre中,若未指定坐标系和方向,则该函数将使用和对象相连的坐标系和方向,例如：材料,域,子域,域边界,源点,监测点,初始化,参考定位或者点火对象.：用于设定特定的坐标和方向.参数格式为x|y|z_,坐标系名称可以是全局坐标系名称或者是用户设定的坐标系名称.在CFX-Post中,若未指定坐标系名称则使用全局坐标系.：设定函数操作数,该操作数可以是任意合法的数学CEL表达式仅在CFD-Post中,或者使用如下通用的参数格式：.Difference其中：,和分别表示,和.在CFX-Pre中,操作数不能是

27、一个CEL表达式或者任何由变量操作符计算出来的操作数.然而,用户可以创建一个和表达式相关联的附加变量作为操作数使用.操作数总是使用保留值除非指定了边界条件变量操作符,然而对于基本对象和复合网格区域,即使指定了边界条件变量操作符,仍然使用保留值.所使用的操作数对于所使用物理模型的整个定位区间来说必须都是合法的；例如：若某个定位区间跨过了流体和固体域,则操作数不能是压力；即需要注意操作数的合法性.对于某些函数而言操作数可以为空,例如：areaInlet.在CFD-Post中,在案例比较过程中不同的变量可以通过区分功能增加. ：设定变量的基本名称,用户可以使用短或者长名称格式.在CFX-Pre中,对

28、于变量名称可以使用_后缀,这样可以指定特定的方向或者组份,例如变量名称Velocity_y_myLocalFrame.在CFX-Pre中若用户未指定坐标系和方向,则将使用全局坐标系,但是位置矢量x,y,z或者r,theta,z总是用本地坐标系. ：设定标量操作符名称,参数格式为Gradient|Curl|Trnav|Trnsdv|Trnmin|Trnmax|Boundcon|.除了之外,所有的操作符在CFX-Pre和CFX-Post中均可用；仅在CFX-Post中可用.在CFX-Pre中变量操作符还可以增加坐标系和方向后缀. ：设定应用函数的定位信息,格式如下：Case:.REGION:Cas

29、e:.仅可使用于CFD-Post,并且仅在加载了多个案例用于指定特定的案例.在CFX-Pre中,必须是一个域边界,域,子域,基元或者复合网格区域.若定位名称是一个网格区域名称并和命名的边界,域或者子域同名时,则网格定位名称前必须增加REGION：前缀.对于基元和复合网格区域,即使网格区域和命名的边界同名时也会使用保留值.在CFD-Post中,可以是任何加载的或者用户定义的定位器,例如：一个点,域边界,平面,网格区域等.使用参数REGION:也可以在CFD-Post中任何网格区域.若网格区域名称和域边界名称相同时,则网格区域导入到CFX-Post中则增加Region的后缀.注意：用户不能使用同时

30、包含2D和3D的复合区域.下表中列出了一些函数使用的例子.areaAveInletThis results in the area-weighted average of pressure on the boundary named Inlet. areaREGION:myCompositeMeshRegionThis results in the area of a 2D mesh region named myCompositeMeshRegion. areaAveoutletThis syntax is appropriate only for CFD-Post.area_xinletW

31、ater at RTP.force_zDefault函数使用的坐标系在CEL中,变量x,y,z,r以与theta代表了局部坐标系的定位,并且也不能作为用户变量进行重定义,但是xGlobal,yGlobal和zGlobal变量可以作为函数参数进行使用,例如：z*areaAveinlet带多相流的CEL函数注意：在CFX-Pre和CFX-Solver中可以使用的函数并没有严格的界限,而在CFX-Post中要求不能使用变量的简称短名称形式.若函数是和特定的流体相关,则基于函数的类型可能会有不同的行为.对于函数massFlow和massFlowAve,若未指定相名称,则将使用总体质量流量.见下表中1-

32、7项.对于其他的和流体相关的函数：若设定了某个流体操作对象但对于函数未指定流体,则假定该流体也指定给该函数,见下表中第8项.若函数被指定了但对于操作数未指定流体,则假定该流体也指定给该操作数,见下表中第7项和第9项.若对于函数和操作数均设定了流体,但没有指定相名称,则求解器将产生一个错误并停止,见下表中的第10项.CaseCEL Function - MultiphaseBehavior1massFlowinletBulk mass flow rate through inlet2Air.massFlowinletAir mass flow rate through inlet 3massFl

33、owAveinletBulk mass flow averaged pressure on inlet 4Air.massFlowAveinletAir mass flow averaged pressure on inlet 5massFlowAveinletBulk mass flow averaged air volume fraction on inlet6Air.massFlowAveinletAir mass flow averaged air volume fraction on inlet 7Air.massFlowAveinletSame as Air.massFlowAve

34、 inlet8massIntdomain1Same as Air.massInt domain19Air.massIntdomain1Same as Air.massInt domain110massFlowAveinletError because no fluid specifiedCEL数值计算函数列表在CEL中,可用的数值计算函数见下表.在下表中,在CFD-Post中的为任意表达式；而在CFX-Pre和CFX-Solver中的为附加变量的表达式.下表中函数的行为与定位有关,典型的情况如下：对于操作数而言,在域上使用的函数使用矢量值.在子域上使用的函数使用操作数的单元值.在边界上的函数使

35、用保留值,除非在CFX-Pre中使用边界条件变量操作符进行了重新定义.对于CFX-Post中定位器上使用的函数将使用来至于节点的差值数据.Function Name and Syntax OperationAvailabilityareaArea of a boundary or interface. Supports See area. Allarea_x_area_y_ area_z_The component of the normal area vector in the local x, y or z direction. The normal area vectors are al

36、ways directed out of the domain, therefore you may obtain positive or negative areas depending on the orientation of your domain and the boundary you are operating on. The area of a closed surface will always be zero. Supports AllaareaAveArea-weighted average of on a boundary. Supports See areaAve.

37、AllareaAve_x_ areaAve_y_areaAve_z_The component of the normal area vector weighted average in the local x, y or z direction. The normal area vectors are always directed out of the domain, therefore you may obtain positive or negative areas depending on the orientation of your domain and the boundary

38、 you are operating on. The area of a closed surface will always be zero. Supports CFD-PostareaIntArea-weighted integral of on a boundary. The areaInt function projects the location onto a plane normal to the specified direction and then performs the calculation on the projected location . The direct

39、ion of the normal vectors for the location is important and will cancel out for surfaces such as closed surfaces. Supports See areaInt. AllareaInt_x_areaInt_y_areaInt_z_ The component of the normal area vector weighted integral in the local x, y or z direction. The normal area vectors are always dir

40、ected out of the domain, therefore you may obtain positive or negative areas depending on the orientation of your domain and the boundary you are operating on. The area of a closed surface will always be zero. Supports AllaveArithmetic average of over nodes within a domain or subdomain. Supports See

41、 ave. AllcountCounts the number of evaluation points on the named region. See count. AllcountTrueCounts the number of nodes at which the logical expression evaluates to true. Supports See countTrue. AllforceThe magnitude of the force vector on a boundary. Supports ., See force. AllforceNorm _ The le

42、ngth of the normalized force on a curve in the specified direction. Supports ., See forceNorm. CFD-Postforce_x_ force_y_force_z_ The component of the force vector in the local x, y or z direction. Supports ., AllainsideSimilar to the subdomain variable, but allows a specific 2D or 3D location to be

43、given. Supports See inside. CFX-Pre, CFX-SolverlengthLength of a curve. Supports See length. CFD-PostlengthAveLength-weighted average. Supports See lengthAve. CFD-PostlengthIntLength-weighted integration. Supports See lengthInt. CFD-PostmassThe total mass within a domain or subdomain. This is fluid-

44、dependent. Supports See mass. CFX-Pre, CFX-SolvermassAveMass-weighted average of on a domain or subdomain. Supports See massAve. CFX-Pre, CFX-SolvermassFlowMass flow through a boundary. Supports ., See massFlow. AllmassFlowAve Mass flow weighted average of on a boundary. Supports ., See massFlowAve.

45、 AllmassFlowAveAbs Absolute mass flow weighted average of on a boundary. Supports ., See massFlowAveAbs. AllmassFlowInt Mass flow weighted integration of on a boundary. Supports ., See massFlowInt. AllmassIntThe mass-weighted integration of within a domain or subdomain. Supports See massInt. CFX-Pre

46、, CFX-SolvermaxValMaximum Value of within a domain or subdomain. Supports See maxVal. AllminValMinimum Value of within a domain or subdomain. Supports See minVal. AllprobeReturns the value of the specified variable on the specified Point locator. Supports See probe. AllrmsAveRMS average of within a

47、2D domain. Supports See rmsAve. CFX-Pre, CFX-SolversumSum of over all domain or subdomain vertices. Supports See sum. AlltorqueMagnitude of the torque vector on a boundary. Supports ., See torque. Alltorque_x_torque_y_torque_z_ The components of the torque vector about the local x, y, or z coordinat

48、e axis. Supports ., CFX-Pre, CFX-SolveravolumeThe total volume of a domain or subdomain. Supports See volume. AllvolumeAveVolume-weighted average of on a domain. Supports See volumeAve. AllvolumeIntVolume-weighted integration of within a domain or subdomain. Supports See volumeInt. Alla See the definition for _ in Quantitative CEL Functions in ANSYS CFX