第二章.UDF的C語言基礎

?（翻譯不易，辛苦點贊）

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本章介紹了UDF的C語言基礎

2.1引言

2.2注釋你的C代碼

2.3FLUENT中的C數(shù)據(jù)類型

2.4常數(shù)

2.5變量

2.6自定義數(shù)據(jù)類型

2.7強制轉換

2.8函數(shù)

2.9數(shù)組

2.10指針

2.11聲明

2.12常用C操作符

2.13C庫函數(shù)

2.14用#define實現(xiàn)宏置換

2.15用#include實現(xiàn)文件包含

2.16與FORTRAN比較

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2.1引言

本章介紹了C語言的一些基本信息，這些信息對處理FLUENT的UDF很有幫助。本章首先假定你有一些編程經(jīng)驗而不是C語言的初級介紹。本章不會介紹諸如while-do循環(huán)，聯(lián)合，遞歸，結構以及讀寫文件的基礎知識。如果你對C語言不熟悉可以參閱C語言的相關書籍。

2.2注釋你的C代碼

熟悉C語言的人都知道，注釋在編寫程序和調(diào)試程序等處理中是很重要的。注釋的每一行以“/*”開始，后面的是注釋的文本行，然后是“*/”結尾

如：/* This is how I put a comment in my C program?? */

2.3FLUENT的C數(shù)據(jù)類型

FLUENT的UDF解釋程序支持下面的C數(shù)據(jù)類型：

Int：整型

Long：長整型

Real：實數(shù)

Float：浮點型

Double：雙精度

Char：字符型

注意：UDF解釋函數(shù)在單精度算法中定義real類型為float型，在雙精度算法宏定義real為double型。因為解釋函數(shù)自動作如此分配，所以使用在UDF中聲明所有的float和double數(shù)據(jù)變量時使用real數(shù)據(jù)類型是很好的編程習慣。

2.4常數(shù)

??????? 常數(shù)是表達式中所使用的絕對值，在C程序中用語句#define來定義。最簡單的常數(shù)是十進制整數(shù)（如：0，1，2）包含小數(shù)點或者包含字母e的十進制數(shù)被看成浮點常數(shù)。按慣例，常數(shù)的聲明一般都使用大寫字母。例如，你可以設定區(qū)域的ID或者定義YMIN和YMAX如下：#define WALL_ID 5#define YMIN 0.0#define YMAX 0.4064

2.5變量

變量或者對象保存在可以存儲數(shù)值的內(nèi)存中。每一個變量都有類型、名字和值。變量在使用之前必須在C程序中聲明。這樣，計算機才會提前知道應該如何分配給相應變量的存儲類型。

2.5.1聲明變量

變量聲明的結構如下：首先是數(shù)據(jù)類型，然后是具有相應類型的一個或多個變量的名字。變量聲明時可以給定初值，最后面用分號結尾。變量名的頭字母必須是C所允許的合法字符，變量名字中可以有字母，數(shù)字和下劃線。需要注意的是，在C程序中，字母是區(qū)分大小寫的。下面是變量聲明的例子：

int n;?????????????????? /*聲明變量n為整型*/int i1, i2;????????????? ??/*聲明變量i1和i2為整型*/float tmax = 0.;???????? ??/* tmax為浮點型實數(shù)，初值為0 */real average_temp = 0.0; ??/* average_temp為實數(shù)，賦初值為0.1*/

2.5.2局部變量

局部變量只用于單一的函數(shù)中。當函數(shù)調(diào)用時，就被創(chuàng)建了，函數(shù)返回之后，這個變量就不存在了，局部變量在函數(shù)內(nèi)部（大括號內(nèi)）聲明。在下面的例子中，mu_lam和temp是局部變量。

DEFINE_PROPERTY(cell_viscosity, cell, thread){? real mu_lam;? real temp = C_T(cell, thread);?? if (temp > 288.)??? mu_lam = 5.5e-3;? else if (temp > 286.)??? mu_lam = 143.2135 - 0.49725 * temp;? else??? mu_lam = 1.;?? return mu_lam;}

2.5.3全局變量

全局變量在你的UDF源文件中是對所有的函數(shù)都起作用的。（調(diào)用一個UDF源文件可能會包括一系列的連接函數(shù)。）它們是在單一函數(shù)的外部定義的。全局變量一般是在預處理程序之后的文件開始處聲明。

2.5.4外部變量

如果全局變量在某一源代碼文件中聲明，但是另一個源代碼的某一文件需要用到它，那么你必須在另一個文件中聲明它是外部變量。外部變量的聲明很簡單，你只需要在變量聲明的最前面加上extern即可。如果有幾個文件涉及到該變量，最方便的處理方法就是在頭文件（.h）中加上extern的定義，然后在所有的.c文件中引用該頭文件即可。只有一個.c文件應該包括沒有extern關鍵字的變量聲明，如下所示。注意：extern只用于編譯過的UDF。

例子：

/* filea.h? *//*包含外部定義的頭文件*/extern real volume;/* filea.c? *//*調(diào)用頭文件filea.h中聲明的volumn的C函數(shù)*/#include "udf.h"#include "filea.h"real volume;DEFINE_ADJUST(compute_volume, domain){?? /*計算某些區(qū)域volumn的代碼*/?? volume = ....}/* fileb.c? *//*調(diào)用頭文件filea.h中聲明的volumn的另一個C函數(shù)*/#include "udf.h"#include "filea.h"DEFINE_SOURCE(heat_source,c,t,ds,eqn){?? /* 用總數(shù)來計算每個單位體積的源項的代碼*/?? /*fliea.c的compute_volum計算出的volume*/?? real total_source = ...;?? real source;?? source = total_source/volume;?? return source;}

2.5.5靜態(tài)變量

static聲明對于全局變量和局部變量的影響是不一樣的。靜態(tài)局部變量在函數(shù)調(diào)用返回之后，該變量不會被破壞。靜態(tài)全局變量則在定義該變量的.c源文件之外對任何函數(shù)保持不可見。靜態(tài)聲明也可以用于函數(shù)，使該函數(shù)只對定義它的.c源文件保持可見。下面是靜態(tài)全局變量聲明的例子。注意：extern只用于編譯過的UDF。

例子：

#include "udf.h"static real abs_coeff = 1.0;?? /* 吸收系數(shù)*/real source;DEFINE_SOURCE(energy_source, c, t, dS, eqn){ int P1 = ....; dS[eqn] = -16.* abs_coeff * SIGMA_SBC * pow(C_T(c,t),3.); source =-abs_coeff *(4.* SIGMA_SBC * pow(C_T(c,t),4.) - C_UDSI(c,t,P1)); return source;}DEFINE_SOURCE(p1_source, c, t, dS, eqn){ int P1 = ...; dS[eqn] = -abs_coeff; ?source = abs_coeff *(4.* SIGMA_SBC * pow(C_T(c,t),4.) - C_UDSI(c,t,P1)); return source;}

2.6自定義數(shù)據(jù)類型

C還允許你用結構和typedef創(chuàng)建自定義數(shù)據(jù)類型。下面是一個結構列表的定義。注意：typedef只用于編譯過的UDF。

例子：

typedef struct list{???????????????? int a;???????????????? real b;???????????????? int c;}mylist;?????????????????????????? /* mylist為類型結構列表*/mylist x,y,z;?????????????????????? /* x,y,z為類型結構列表*/

2.7強制轉換

你可以通過強制轉換將某一數(shù)據(jù)類型轉換為另一種。強制由類型來表示，其中的類型包括int，float等等，如下例所示：

int x = 1;real y = 3.14159;int z = x+((int) y);?????? /* z = 4 */

2.8函數(shù)

函數(shù)是用完成一定任務的一系列語句。在定義該函數(shù)的同一源代碼中，這些任務可能對其它的函數(shù)有用，也可能會被用于完成源文件以外的函數(shù)中。每個函數(shù)都包括一個函數(shù)名以及函數(shù)名之后的零行或多行語句，其中有大括號括起來的函數(shù)主體可以完成所需要的任務。函數(shù)可以返回特定類型的數(shù)值。C函數(shù)通過數(shù)值來傳遞數(shù)據(jù)。

函數(shù)有很多數(shù)據(jù)類型，如real，void等，其相應的返回值就是該數(shù)據(jù)類型，如果函數(shù)的類型是void就沒有任何返回值。要確定定義UDF時所使用的DEFINE宏的數(shù)據(jù)類型你可以參閱udf.h文件中關于宏的#define聲明一節(jié)，也可以參閱附錄A的列表。

!! C函數(shù)不能改變它們的聲明，但是可以改變這些聲明所指向的變量。

2.9 數(shù)組

數(shù)組的定義格式為：名字[數(shù)組元素個數(shù)]，C數(shù)組的下標是從零開始的。變量的數(shù)組可以具有不同的數(shù)據(jù)類型。

例子

int a[10], b[10][10];

real radii[5];

?

a[0] = 1;????????????????? /* 變量a為一個一維數(shù)組*/

radii[4] = 3.14159265;?? ????/*變量radii為一個一維數(shù)組*/

b[10][10] = 4;??????????? ??/*變量b為一個二維數(shù)組*/

2.10指針

指針變量的數(shù)值是其它變量存儲于內(nèi)存中的地址值。C程序中指針變量的聲明必須以*開頭。指針廣泛用于提取結構中存儲的數(shù)據(jù)，以及在多個函數(shù)中通過數(shù)據(jù)的地址傳送數(shù)據(jù)。

例如：int *ip;

本語句聲明了一個指向整型變量的指針變量ip。此時你可以為指針變量分配一個地址值了?，F(xiàn)在假定你要將某一地址分配給指針ip，你可以用取地址符&來實現(xiàn)。例如：

ip = &a;

就分配給指針ip變量a的地址值了。

要得到指針變量所指向的單元的值，你可以使用：

*ip

你還可以為指針ip所指向的變量賦值，例如：

*ip = 4;

將4賦給指針ip所指向的變量。下面是使用指針的例子：

int a = 1;

int *ip;

ip = &a;??????????????? /* &a返回了變量a的地址值*/

printf("content of address pointed to by ip = %d\n", *ip);

*ip = 4;??????????????? /* a = 4? */

printf("now a = %d\n", a);

在上面的語句中，整型變量賦初值為1。然后為整型變量聲明一個指針。然后整型變量a的地址值分配給指針ip。然后用*ip來輸出指針ip所指向的值（該值為1）。然后用*ip間接的給變量a賦值為4。然后輸出a的新值。指針還可以指向數(shù)組的起始地址，在C中指針和數(shù)組具有緊密的聯(lián)系。

2.10.1 作為函數(shù)自變量的指針

C函數(shù)可以通過指針進入和修改它們的自變量。在FLUENT中，線程和域指針是UDF常用的自變量。當你在UDF中指定這些自變量時， FLUENT解算器會自動將指針所指向的數(shù)據(jù)傳送給UDF，從而使你的函數(shù)可以存取解算器的數(shù)據(jù)（你不必聲明作為自變量從解算器傳送給UDF的指針）。例如，某一傳送給指定（由DEFINE_PROFILE宏來定義的）自定義輪廓UDF的自變量是一個指向應用于邊界條件的線程的指針。DEFINE_PROFILE函數(shù)會存取線程指針所指向的數(shù)據(jù)。

2.11 控制語句

你可以使用控制語句，如if, if-else和循環(huán)來控制C程序中語句的執(zhí)行順序?？刂普Z句決定了程序序列中下一步該執(zhí)行的內(nèi)容

2.11.1 if語句

if語句是條件控制語句的一種。格式為：

?if (邏輯表達式)

???? {語句}

其中邏輯表達式是判斷條件，語句是條件滿足時所要執(zhí)行的代碼行。

例子

if (q != 1)

???? {a = 0; b = 1;}

2.11.2 if-else語句

if-else語句是另一種條件控制語句。格式為：

if (邏輯表達式)

? {語句}

else

? {語句}

如果邏輯表達式條件滿足，則執(zhí)行第一個語句，否則執(zhí)行下面的語句。

例子

if (x < 0.)

? y = x/50.;

else

? {

?? x = -x;

?? y = x/25.;

? }

下面是等價的FORTRAN代碼，大家可以比較一下：

?????? IF (X.LT.0.) THEN

???????? Y = X/50.

?????? ELSE

???????? X = -X

???????? Y = X/25.

?????? ENDIF

2.11.3 for循環(huán)

for循環(huán)是C程序最為基本的循環(huán)控制語句。它和FORTRAN中的do循環(huán)很類似。格式為：

for (起點;終點;增量)

??? {語句}

其中起點是在循環(huán)開始時執(zhí)行的表達式；終點是判斷循環(huán)是否結束的邏輯表達式；增量是循環(huán)迭代一次之后執(zhí)行的表達式（通常是增量計數(shù)器）。

例子：

/* 輸出整數(shù)1-10及它們的平方*/

int i, j, n = 10;

for (i = 1 ; i <= n ; i++)

???????????????? {

?????????????????????????????????? j = i*i;

?????????????????????????????????? printf("%d %d\n",i,j);

???????????????? }

下面是等價的FORTRAN代碼，大家可以做一比較：

????? INTEGER I,J

????? N = 10

????? DO I = 1,10

????? J = I*I

????? WRITE (*,*) I,J

????? ENDDO

2.12常用的C運算符

運算符是內(nèi)部的C函數(shù)，當它們對具體數(shù)值運算時會得到一個結果。常用的C運算符是算術運算符和邏輯運算符。

2.12.1 算術運算符

下面是一些常用的算術運算符。

=? 賦值

+? 加

-? 減

*? 乘

/? 除

%? 取模

++ 增量

-- 減量

注意：乘、除和取模運算的優(yōu)先級要高于加、減運算。除法只取結果的整數(shù)部分。取模只取結果的余數(shù)部分。++運算符是增量操作的速記符。

2.12.2 邏輯運算符

下面是一些邏輯運算符。

<?? 小于

<=? 小于或等于

>?? 大于

>=? 大于或等于

==? 等于

!=? 不等于

?

2.13 C庫函數(shù)

當你書寫UDF代碼時，你可以使用C編譯器中包括的標準數(shù)學庫和I/O函數(shù)庫。下面各節(jié)介紹了標準C庫函數(shù)。標準C庫函數(shù)可以在各種頭文件中找到（如：global.h）。這些文件都被包含在udf.h文件中。

2.13.1 三角函數(shù)

下面的三角函數(shù)都是計算變量x（只有一個還計算y）的三角函數(shù)值。函數(shù)和變量都是雙精度實數(shù)變量。具體的意義大家應該都很清楚，就不具體介紹了。

double acos (double x);

返回x的反余弦函數(shù)

double asin (double x);

返回x的反正弦函數(shù)

double atan (double x);

返回x的反正切函數(shù)

double atan2 (double x, double y);

返回x/y的反正切函數(shù)

double cos (double x);

返回x的余弦函數(shù)

double sin (double x);

返回x的正弦函數(shù)

double tan (double x);

返回x的正切函數(shù)

double cosh (double x);

返回x的雙曲余弦函數(shù)

double sinh (double x);

返回x的雙曲正弦函數(shù)

double tanh (double x);

返回x的雙曲正切函數(shù)

2.13.2 各種數(shù)學函數(shù)

下面列表中，左邊是C函數(shù)，右邊是對應數(shù)學函數(shù)：

double sqrt (double x);

double pow(double x, double y);

double exp (double x);

double log (double x);

double log10 (double x);

double fabs (double x);

double ceil (double x);

不小于x的最小整數(shù)

double floor (double x);

不大于x的最大整數(shù)

2.13.3 標準I/O函數(shù)

C中有大量的標準輸入輸出（I/O）函數(shù)。在很多情況下，這些函數(shù)在指定的文件中工作。下面是一些例子。

FILE *fopen(char *filename, char *type);

打開一個文件

int fclose(FILE *fd);

關閉一個文件

int fprintf(FILE *fd, char *format, ...);

格式化輸出到一個文件

int printf(char *format, ...);

輸出到屏幕

int fscanf(FILE *fd, char *format, ...);

格式化讀入一個文件

函數(shù)fopen和fclose分別打開和關閉一個文件。函數(shù)fprintf以指定的格式寫入文件，函數(shù)fscanf以相同的方式從某一文件中將數(shù)據(jù)讀入。函數(shù)printf是一般的輸出函數(shù)。fd是一個文件指針，它所指向的是包含所要打開文件的信息的C結構。除了fopen之外所有的函數(shù)都聲明為整數(shù)，這是因為該函數(shù)所返回的整數(shù)會告訴我們這個文件操作命令是否成功執(zhí)行。

在下面的例子中，需要打開的數(shù)據(jù)文件的名字用雙引號括起來。fopen中的選項r表明該文件是以可讀形式打開的。fscan函數(shù)從fd所指向的文件中讀入兩個浮點數(shù)并將它們存儲為f1和f2。關于C的標準輸入輸出函數(shù)其它更多的信息，你可以查閱相關手冊（如：[2]）。

例子：

? FILE *fd;

??? fd = fopen("data.txt","r");?? /*? opens a file named data.txt? */

??? fscanf(fd, "%f ,%f'', &f1, &f2);

??? fclose(fd);

2.14 用#define實現(xiàn)宏置換

UDF解釋程序支持宏置換的C預處理程序命令。當你使用#define宏置換命令，C預處理程序（如，cpp）執(zhí)行了一個簡單的置換，并用替換文本替換宏中定義的每一個自變量。

#define macro replacement-text

如下面的宏置換命令：

#define RAD 1.2345

預處理程序會在UDF中所有的變量RAD出現(xiàn)的地方將RAD替換為1.2345。在你的函數(shù)中可能會有很多涉及到變量RAD的地方，但是你只需要在宏命令中定義一次，預處理程序會在所有的代碼中執(zhí)行替換操作。

在下面這個例子中：

#define AREA_RECTANGLE(X,Y) ((X)*(Y))

你的UDF中所有的AREA_RECTANGLE(X,Y)都會被替換為(X)和(Y)的乘積。

2.15 用#include實現(xiàn)文件包含

UDF解釋程序還支持文件包含的C前處理命令。當你使用#include包含一個文件時，C前處理程序會將#include filename行替換為文件名對應的文件內(nèi)容。

#include " filename "

文件名對應的文件必須在當前目錄中。只有udf.h文件例外，這是因為FLUENT解算器會自動將它讀入。

如下面的文件包含命令：

#include "udf.h"

會將文件udf.h包含進你的源代碼中。

2.16 與FORTRAN 的比較

很多簡單的C函數(shù)和FORTRAN函數(shù)的子程序很相似，例子如下：

簡單的C函數(shù)

等價的FORTRAN函數(shù)

int myfunction(int x)

INTEGER FUNCTION MYFUNCTION(X)

{

?

int x,y,z;

INTEGER X,Y,Z

y = 11;

Y = 11

z = x+y;

Z = X+Y

printf("z = %d",z);

WRITE (*,100) Z

return z;

MYFUNCTION = Z

}

END

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