案例描述利用VOF+凝固熔化+UDF对激光焊熔池过程的模拟，该过程中包括金属材料的相变、激光热源加热、热源移动等物理变化过程。通过UDF完整地模拟了激光焊接过程中的热源加热、熔池流动、反冲压力效应、表面张力变化和浮力效应等关键物理现象。构建模型如下图所示，模型的正面为对称面，其他均为壁面，焊接的起始点为（-3.5,0,0），激光热源的移动速度为0.01m/s（文末附案例文件获取方式）。步骤1.导入网格模型导入模型网格文件，如下图所示：2.通用设置采用压力基求解器，瞬态求解，重力方向为z的负方向。3.模型选择开启能量方程，粘性模型选择层流，开启凝固和熔化模型并保持默认设置。4.UDF加载添加udf.c源文件，点击编译并加载。UDF完整地模拟了激光焊接过程中的热源加热、熔池流动、反冲压力效应、表面张力变化和浮力效应等关键物理现象。注意：UDF定义焊接速度的过程中，速度的定义并非热源点的移动速度，而是计算域的移动速度。#include"udf.h"#include"sg_mphase.h"//多相流相关的头文件#include"math.h"//数学函数库#include"sg.h"//源项和梯度相关头文件#include"flow.h"//流动相关头文件#include"mem.h"//内存管理头文件#include"metric.h"//几何度量相关头文件//定义常数宏#definev0.01/*焊接速度*///焊接速度0.01m/s#defineL0.006/*工件厚度*///工件厚度0.006m#defineT_SAT2700/*汽相线*///汽化温度2700K#defineP3000//激光功率3000W#definen0.9/*热效率*///热效率90%#definePI3.141592653//圆周率π#defineR00.0006/*热源加热斑点半径*///热源半径0.0006m#defineRe4.5E6/*recoil—_pressure系数*///反冲压力系数#defineRee0.5/*recoil—_pressure系数*///反冲压力系数（x,y方向）#defineReez1/*recoil—_pressure系数*///反冲压力系数（z方向）#definexx00.0035//热源初始位置偏移量//激光热源函数DEFINE_SOURCE(laser_source,c,t,dS,eqn)//定义热源项，FluentUDF标准格式{realxc[ND_ND],x,y,z,time,Q,r,H,source;//声明变量：坐标、时间、功率、半径、深度、源项Thread*sec_th;//声明第二相线程指针sec_th=THREAD_SUB_THREAD(t,1);//获取第二相线程（多相流中的气相）time=RP_Get_Real("flow-time");//获取当前流动时间C_CENTROID(xc,c,t);//获取当前网格单元的中心坐标x=xc[0]+xx0-v*time;//计算移动热源的x坐标（考虑焊接速度，速度的定义并非热源点的移动速度，而是计算域的移动速度）y=xc[1];//y坐标z=xc[2];//z坐标H=0.003;/*热源深度*///定义热源作用深度r=sqrt(x*x+y*y);//计算点到热源中心的水平距离Q=n*P;//计算有效功率Q=效率×功率if(r<=R0&&z<=0&&z>=-H)//判断条件：在热源半径内且在深度范围内{//高斯旋转体热源模型source=9*Q/(PI*R0*R0*H*0.95)*exp(-6/(log(H/(-z))*R0*R0)*r*r);dS[eqn]=0;//源项对变量的导数为0（常数源项）}else{source=0;//在热源范围外，源项为0dS[eqn]=0;//导数为0}returnsource;//返回热源项值}//VOF梯度存储函数DEFINE_ADJUST(store_VOF_gradient,domain)//定义调整函数，在每个时间步执行{Thread*t;//线程指针Thread*ppt;//主相线程指针Thread**pt;//线程指针数组cell_tc;//网格单元标识符intphase_domain_index=1;//相域索引Domain*pDomain=DOMAIN_SUB_DOMAIN(domain,phase_domain_index);//获取子域//分配存储空间用于VOF梯度计算Alloc_Storage_Vars(pDomain,SV_VOF_RG,SV_VOF_G,SV_NULL);//重构VOF标量场Scalar_Reconstruction(pDomain,SV_VOF,-1,SV_VOF_RG,NULL);//计算VOF梯度Scalar_Derivatives(pDomain,SV_VOF,-1,SV_VOF_G,SV_VOF_RG,Vof_Deriv_Accumulate);//循环遍历所有线程mp_thread_loop_c(t,domain,pt){if(FLUID_THREAD_P(t))//如果是流体线程{ppt=pt[phase_domain_index];//获取主相线程begin_c_loop(c,t)//开始单元循环{//将VOF梯度分量存储到UDM中C_UDMI(c,t,0)=C_VOF_G(c,ppt)[0];//x方向梯度C_UDMI(c,t,1)=C_VOF_G(c,ppt)[1];//y方向梯度C_UDMI(c,t,2)=C_VOF_G(c,ppt)[2];//z方向梯度}end_c_loop(c,t)//结束单元循环}}//释放存储空间Free_Storage_Vars(pDomain,SV_VOF_RG,SV_VOF_G,SV_NULL);}//X方向反冲压力源项DEFINE_SOURCE(x_recoil_source,c,t,dS,eqn){realxc[ND_ND],x,y,z,r,time,T,xfen,recoil,x_source;//声明变量Thread*sec_th;sec_th=THREAD_SUB_THREAD(t,1);//获取第二相线程T=C_T(c,t);//获取当前单元温度time=RP_Get_Real("flow-time");//获取当前时间C_CENTROID(xc,c,t);//获取单元中心坐标x=xc[0]+xx0-v*time;//计算移动坐标y=xc[1];z=xc[2];r=sqrt(x*x+y*y);//计算到热源中心距离//计算x方向界面法向分量（归一化）xfen=C_UDMI(c,t,0)/sqrt(C_UDMI(c,t,0)*C_UDMI(c,t,0)+C_UDMI(c,t,1)*C_UDMI(c,t,1)+C_UDMI(c,t,2)*C_UDMI(c,t,2)+0.00000001);if(r<=0.001)//在反冲压力作用半径内{//条件：温度达到汽化点且在气液界面区域if(T>=T_SAT&&C_VOF(c,sec_th)>=0.1&&C_VOF(c,sec_th)<=0.9)//反冲压力必须施加在第二相上，0表示第一相-空气相{//反冲压力计算（基于温度的经验公式）recoil=3.35*Re*exp(12.37*(T-T_SAT)/T);x_source=recoil*xfen;//x方向反冲压力分量C_UDMI(c,t,3)=x_source;//存储到UDM3}elsex_source=0;//不满足条件时源项为0}else{x_source=0;//在作用半径外源项为0}returnx_source*Ree;//返回x方向反冲压力源项}//Y方向反冲压力源项DEFINE_SOURCE(y_recoil_source,c,t,dS,eqn){realxc[ND_ND],x,y,z,r,time,T,yfen,recoil,y_source;Thread*sec_th;sec_th=THREAD_SUB_THREAD(t,1);T=C_T(c,t);time=RP_Get_Real("flow-time");C_CENTROID(xc,c,t);x=xc[0]+xx0-v*time;y=xc[1];z=xc[2];r=sqrt(x*x+y*y);//计算y方向界面法向分量yfen=C_UDMI(c,t,1)/sqrt(C_UDMI(c,t,0)*C_UDMI(c,t,0)+C_UDMI(c,t,1)*C_UDMI(c,t,1)+C_UDMI(c,t,2)*C_UDMI(c,t,2)+0.00000001);if(r<=0.001){if(T>=T_SAT&&C_VOF(c,sec_th)>=0.1&&C_VOF(c,sec_th)<=0.9){recoil=3.35*Re*exp(12.37*(T-T_SAT)/T);y_source=recoil*yfen;//y方向反冲压力分量C_UDMI(c,t,4)=y_source;//存储到UDM4}elsey_source=0;}else{y_source=0;}returny_source*Ree;//返回y方向反冲压力源项}//Z方向反冲压力源项DEFINE_SOURCE(z_recoil_source,c,t,dS,eqn){realxc[ND_ND],x,y,z,r,time,T,zfen,recoil,z_source;Thread*sec_th;sec_th=THREAD_SUB_THREAD(t,1);T=C_T(c,t);time=RP_Get_Real("flow-time");C_CENTROID(xc,c,t);x=xc[0]+xx0-v*time;y=xc[1];z=xc[2];r=sqrt(x*x+y*y);//计算z方向界面法向分量zfen=C_UDMI(c,t,2)/sqrt(C_UDMI(c,t,0)*C_UDMI(c,t,0)+C_UDMI(c,t,1)*C_UDMI(c,t,1)+C_UDMI(c,t,2)*C_UDMI(c,t,2)+0.00000001);if(r<=0.001){if(T>=T_SAT&&C_VOF(c,sec_th)>=0.1&&C_VOF(c,sec_th)<=0.9){recoil=3.35*Re*exp(12.37*(T-T_SAT)/T);z_source=recoil*zfen;//z方向反冲压力分量C_UDMI(c,t,5)=z_source;//存储到UDM5}elsez_source=0;}else{z_source=0;}returnz_source*Reez;//返回z方向反冲压力源项（不同系数）}//表面张力属性定义DEFINE_PROPERTY(surf_tension,c,t){realsurf;intcurr,i,j;realtemp1=C_T(c,t);//获取当前单元温度if(temp1>=930)//温度≥930Ksurf=1.0-0.0003*(temp1-930);//线性减小elseif(temp1>=2730)//温度≥2730Ksurf=0.41;//保持最小值elsesurf=1.0;//低温时保持最大值returnsurf;//返回表面张力系数}//浮力源项DEFINE_SOURCE(fuli,cell,thread,dS,eqn){realsource;realp,g,B,T,Tl;T=C_T(cell,thread);//获取温度p=2700;//密度g=-9.81;//重力加速度B=0.0001;//热膨胀系数Tl=930;//液相线温度if(T>Tl)//温度高于液相线source=-p*g*B*(T-Tl);//计算浮力源项elsesource=0;//固态时无浮力dS[eqn]=0;//导数为0returnsource;//返回浮力源项}5.材料参数设置添加并定义金属材料，在流体材料中修改空气材料的参数并另存为金属材料，再对相关参数进行修改。其中密度、比热、导热率、粘度参数为分段线性函数。其中密度、比热、导热率、粘度参数定义如下：①密度根据温度定义4个点：300K，2700kg/m3；820K，2700kg/m3；930K，2400kg/m3；5000K，2400kg/m3；②比热根据温度定义4个点：300K，871J/(kgK)；820K，871J/(kgK)；930K，1060J/(kgK)；5000K，1060J/(kgK)；③导热率根据温度定义4个点：300K，238W/(mK)；820K，238W/(mK)；930K，100W/(mK)；5000K，100W/(mK)；④粘度根据温度定义2个点：930K，0.0016kg/(ms)；5000K，0.0016kg/(ms)。添加金属材料后，定义VOF模型，表面张力系数选择UDF中定义的surf_tension。6.单元区域条件设置在单元区域设置中勾选源项，并分别添加源项的数量，包括XYZ三个方向上的反冲压力源项、Z方向上的浮力源项和一个能量源项。7.边界条件设置定义底部壁面的传热边界条件：定义四周壁面的传热边界条件：8.初始化新建一个区域标记，用于后续的局部初始化。初始化选择标准初始化，温度为300K，第二相的体积为0。局部初始化将标记出的区域第二相的体积分数设置为1。9.运行计算时间步数和时间步长定义如下：温度分布云图空气相体积分布云图来源：仿真与工程
