CFX之CEL语言介绍讲解

在CFX中，CFX表达式语言（CFXExpressionLanguage：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（DesignExploration）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。1、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[ms^-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：Expr_1=Value_1+Value_2在本例中，用户可能希望将Value_1和Value_2相加并赋值给Expr_1，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：Expr_2=Expr_1+Value_3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“@locator”进行物理面和网格面的区分。若在面名称中找到了“@locator”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“@locator”表示使用的是一个物理面。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以及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：Thestatementmustconsistofthefollowing: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=5[m]，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：x^y。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(==and!=)：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，逻辑以及操作性的操作符，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。OperatorFirstOperand'sDimensions[x]SecondOperand'sDimensions[y]Operands'Values(Approx)Result'sDimensions-xAnyAny[x]x+yAny[x]Any[x]x-yAny[x]Any[x]x*yAnyAnyAny[x]*[y]x/yAnyAny0[x]/[y]x^y(ifyisasimple,constant,integerexpression)AnyDimensionlessAny[a][x]^yx^y(ifyisanysimple,constant,expression)AnyDimensionlessx0[x]^yx^y(ifyisnotsimple&constant)DimensionlessDimensionlessx0Dimensionless!xDimensionless0or1Dimensionlessx=yAny[x]0or1DimensionlessxyAny[x]0or1DimensionlessxyAny[x]0or1Dimensionlessx=yAny[x]0or1Dimensionlessx==yAny[x]0or1Dimensionlessx!=yAny[x]0or1Dimensionlessx&&yDimensionlessDimensionless0or1Dimensionlessx||yDimensionlessDimensionless0or1Dimensionless[a]Fory0,xmustbenon-zero.if条件语句CELsupportstheconditionalifstatementusingthefollowingsyntax:在12版的CFX中提供了if条件语句，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(cond_expr,true_expr,false_expr)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以及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if(x0,1/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：ConstantUnitsDescriptionRJK^-1mol^-1UniversalGasConstant:8.314472avogadromol^-16.02214199E+23boltzmannJK^-11.3806503E-23clightms^-12.99792458E+08eDimensionlessConstant:2.7182817echargeAsConstant:1.60217653E-19epspermo1./(clight*clight*mupermo)gms^-2Accelerationduetogravity:9.8066502mupermoNA^-24*pi*1.E-07piDimensionlessConstant:3.141592654planckJs6.62606876E-34stefanWm^-2K^-45.670400E-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及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[C]Temperature=303.15[K]Temperature=0[C]+30[K]Temperature=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576.3[K]，这是因为在CFX内部首先将0[C]和30[C]分别转化为273.15[K]和303.15[K]，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：SpecificHeat=4200[Jkg^-1C^-1]SpecificHeat=4200[Jkg^-1K^-1]例子1：基于粘度的雷诺数在本例中，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及长度比已知，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ρ：流体密度U：入口速度L：长度比μ：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[ms^-1]L=1.044[m]Visc=areaAve(density)@in*Vel*L/ReENDENDMATERIAL:AirIdealGasOption=PureSubstancePROPERTIES:Option=IdealGasMolarMass=2.896E1[kgkmol^-1]DynamicViscosity=ViscSpecificHeatCapacity=1.E3[Jkg^-1K^-1]ThermalConductivity=2.52E-2[Wm^-1K^-1]ENDENDEND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以及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areaAve(density)@