基于MAYA參數(shù)化建模的FLUENT設(shè)計(jì)與應(yīng)用

時(shí)均浩 李苗苗 朱如鵬

摘 要： 由于μDMFC結(jié)構(gòu)尺寸的減小致使CO2氣體容易阻塞陽(yáng)極溝道，影響溝道內(nèi)的氣液輸運(yùn)。含氣率作為評(píng)估溝道氣液輸運(yùn)特性的標(biāo)準(zhǔn)之一，但是目前的后處理過(guò)程難以直接獲取蛇形溝道沿程截面含氣率，因此針對(duì)FLUENT后處理進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。該二次開(kāi)發(fā)程序通過(guò)GUI傳遞模型特征參數(shù)，基于MAYA的可視化交互環(huán)境進(jìn)行參數(shù)化模型的實(shí)時(shí)顯示，并以日志文件作為接口實(shí)現(xiàn)MAYA和FLUENT間的數(shù)據(jù)傳遞從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，進(jìn)而獲取溝道沿程截面含氣率數(shù)值。最后基于二次開(kāi)發(fā)軟件研究了一種新型流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)，并發(fā)現(xiàn)改變雙層流場(chǎng)板溝道側(cè)壁面潤(rùn)濕特性能有效改善溝道氣液輸運(yùn)特性。此處理方法不僅為研究燃料電池溝道輸運(yùn)特性提供了有效的數(shù)據(jù)獲取手段，也為研究氣液兩相流動(dòng)現(xiàn)象提供了解決思路。

關(guān)鍵詞： 參數(shù)化建模； 二次開(kāi)發(fā)； FLUENT； 氣液兩相流； 數(shù)值模擬； 流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： TN304?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）07?0115?05

Design and application of parametric modeling based on MAYA and FLUENT

SHI Junhao， LI Miaomiao， ZHU Rupeng

（Department of Design Engineering， College of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： It is easy for CO2 to block the anode channel due to the reduction of μDMFC structure size， and effect the gas?liquid flow in the channel. Since it is difficult for post?processing to directly obtain the gas fraction of cross section along the S?shaped channel， the second development of FLUENT post?processing was carried out. The model characteristic parameters is transferred in second development program through GUI. The parametric model can be displayed in realtime in the interactive visualization environment based on MAYA. The journal file is taken as the interface to realize the data transmission between MAYA and FLUENT， parametric modeling， and acquire the gas fraction of the cross section along the channel. A new flow?field plate structure is studied on the basis of second development software. It is found that the change of wetting property of channel sidewalls of double?layer flow?field plate can improve the gas?liquid flow property effectively. The post?processing method can provide the effective data acquisition means for studying the channel transport property of the fuel cell， and also provide a solution for studying the gas?liquid two?phase flow phenomenon.

Keywords： parametric modeling； second development； FLUENT； gas?liquid two?phase flow； numerical simulation； flow?field plate structure

0 引 言

微型直接甲醇燃料電池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）采用甲醇作為燃料，具有綠色環(huán)保、攜帶方便等特點(diǎn)，在小型便攜式設(shè)備領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[1?3]。μDMFC結(jié)構(gòu)尺寸的減小增加了流體在溝道中的流動(dòng)阻力，并且甲醇燃料反應(yīng)生成的CO2氣體通過(guò)擴(kuò)散層進(jìn)入陽(yáng)極溝道后形成氣液兩相流，氣體積聚在陽(yáng)極溝道不能順利排出，不僅會(huì)搶占陽(yáng)極催化層的活性位置，阻礙甲醇向催化層傳質(zhì)，降低電化學(xué)反應(yīng)效率，而且會(huì)堵塞溝道，阻礙甲醇溶液的輸運(yùn)。因此，為了實(shí)現(xiàn)μDMFC長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行，就必須保證微溝道具有良好的氣液輸運(yùn)管理特性。

在流場(chǎng)結(jié)構(gòu)方面，文獻(xiàn)[4?5]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)蛇形流場(chǎng)相較于平行流場(chǎng)更有利于CO2氣體的排出。文獻(xiàn)[6]通過(guò)數(shù)值模擬，同樣證明了采用蛇形流場(chǎng)的燃料電池有較好的性能。在數(shù)值模擬中，不僅可以得到可視化方法中的氣液兩相分布，而且還能得到溝道截面含氣率。但是蛇形流場(chǎng)具有迂回特性，為了獲取溝道沿程截面含氣率，需要建立等距輔助截面并為截面定義編號(hào)，獲取含氣率數(shù)值并整理數(shù)據(jù)才能得到有用結(jié)果，但是目前的后處理軟件無(wú)法直接得到需要的結(jié)果。

針對(duì)這種情況，為了充分發(fā)揮各平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)、消除在單一平臺(tái)中進(jìn)行后處理的局限性，本文以μDMFC陽(yáng)極溝道內(nèi)兩相流動(dòng)為研究背景，借助FLUENT軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)合MAYA軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，主要研究交互式建立輔助幾何圖形、分析其技術(shù)可行性及實(shí)現(xiàn)方法。

1 二次開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)思路

在進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)前，需要明確使用需求，了解所涉及軟件的可開(kāi)發(fā)性及開(kāi)發(fā)途徑，綜合考慮開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、軟件運(yùn)行環(huán)境、代碼執(zhí)行效率、是否需要組建開(kāi)發(fā)環(huán)境等問(wèn)題。分析多種可行性方案并從中選取最優(yōu)方案加以實(shí)現(xiàn)，再根據(jù)實(shí)際使用需要進(jìn)行代碼優(yōu)化和增加輔助功能等。

1.1 需求分析

后處理的目的是將求解器的計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)化為圖片、動(dòng)畫(huà)和數(shù)據(jù)報(bào)告等形式，進(jìn)而對(duì)流動(dòng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行有效的觀(guān)察和分析。在后處理中，如果需要獲取三維流體域內(nèi)部某一點(diǎn)數(shù)值或某一截面云圖，首先需要建立輔助點(diǎn)或輔助平面，進(jìn)而獲取所需數(shù)據(jù)。在μDMFC陽(yáng)極流場(chǎng)溝道的研究中，為了評(píng)估其氣液輸運(yùn)特性，需要在溝道內(nèi)沿程建立等距截面（如圖1所示），并獲取該截面組的含氣率，結(jié)合Tecplot中呈現(xiàn)的氣相分布圖，綜合分析溝道性能。通過(guò)FLUENT的交互界面建立數(shù)目眾多的輔助幾何圖形過(guò)于繁瑣，而且數(shù)值模擬前無(wú)法確定氣相的分散程度，因此無(wú)法設(shè)定合理的截面間距，進(jìn)而要求本次二次開(kāi)發(fā)能夠靈活地改變輔助截面的間距。

1.2 設(shè)計(jì)思路

計(jì)算流體力學(xué)（CFD）軟件FLUENT采用C語(yǔ)言編寫(xiě)核心程序，因此資源利用率高，可對(duì)流體力學(xué)的多類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行數(shù)值模擬和分析研究。FLUENT的TUI命令流符合Scheme語(yǔ)言規(guī)范，能靈活地實(shí)現(xiàn)CFD分析中的眾多相關(guān)功能，為工程設(shè)計(jì)和研究提供了有力的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和分析工具[7?8]。通過(guò)分析輔助截面參數(shù)特性，得出合理的TUI命令，為后期的參數(shù)優(yōu)化做準(zhǔn)備。

三維動(dòng)畫(huà)軟件MAYA具有成熟的圖形學(xué)算法和良好的可視化交互環(huán)境，很適合交互式建立后處理中用到的輔助幾何圖形。MAYA的整個(gè)圖形用戶(hù)界面都采用MAYA嵌入式語(yǔ)言（MAYA Embedded Language，MEL）編寫(xiě)和控制，因此使用MEL可以方便地編寫(xiě)程序界面。使用MEL還可以訪(fǎng)問(wèn)MAYA屬性，包括參數(shù)化建模命令及圖形可視化命令等，進(jìn)行算法設(shè)計(jì)和進(jìn)程控制等[9?11]。借助MAYA平臺(tái)的交互顯示，改變模型結(jié)構(gòu)參數(shù)能實(shí)時(shí)顯示結(jié)果，因此可以快速獲得輔助截面間距參數(shù)。同時(shí)MAYA還提供了更為強(qiáng)大的插件開(kāi)發(fā)接口C++ API[12]，能夠訪(fǎng)問(wèn)系統(tǒng)中的資源，但是插件開(kāi)發(fā)需要初始化，容易產(chǎn)生程序錯(cuò)誤，可能導(dǎo)致內(nèi)存泄漏、數(shù)據(jù)丟失等故障，開(kāi)發(fā)者必須熟悉MAYA軟件的開(kāi)發(fā)架構(gòu)并需要編寫(xiě)復(fù)雜的初始化代碼，因此對(duì)開(kāi)發(fā)者的技術(shù)水平要求較高。綜合考慮開(kāi)發(fā)語(yǔ)言易用性和軟件安全性，MAYA中后處理的二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言采用MEL。

在MAYA中需要做到溝道模型的參數(shù)化和輔助截面的參數(shù)化，以適應(yīng)不同結(jié)構(gòu)尺寸的蛇形溝道；為了方便觀(guān)察模型的三維空間結(jié)構(gòu)關(guān)系，幾何模型都需要可視化顯示，并且更改參數(shù)時(shí)需要模型實(shí)時(shí)顯示；確定輔助截面的參數(shù)后，能夠靈活生成相應(yīng)的符合Scheme語(yǔ)言規(guī)范的日志文件。為了能夠在FLUENT中重現(xiàn)輔助截面，以日志文件為接口，由FLUENT讀入執(zhí)行，從而建立與MAYA中同樣效果的輔助截面，進(jìn)而可以獲取截面含氣率數(shù)值用于研究分析溝道特性，數(shù)據(jù)獲取流程見(jiàn)圖2。

2 程序設(shè)計(jì)

2.1 軟件架構(gòu)

軟件架構(gòu)（Software Architecture，SA）[13]是一個(gè)系統(tǒng)的基本組織，體現(xiàn)在組成系統(tǒng)的各構(gòu)件、構(gòu)件的相互關(guān)系、構(gòu)件與環(huán)境的關(guān)系，以及指導(dǎo)構(gòu)件設(shè)計(jì)和隨時(shí)間演進(jìn)的原則當(dāng)中。軟件架構(gòu)是一個(gè)系統(tǒng)的草圖，描述的對(duì)象是直接構(gòu)成系統(tǒng)的抽象組件和其間的連接與通信。在實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，通過(guò)具體的類(lèi)或者對(duì)象將抽象組件細(xì)化為實(shí)際組件，組件之間的連接通常用接口來(lái)實(shí)現(xiàn)。

良好的軟件架構(gòu)不僅便于軟件開(kāi)發(fā)者實(shí)現(xiàn)軟件模塊化設(shè)計(jì)，還對(duì)軟件系統(tǒng)的后續(xù)開(kāi)發(fā)、部署和維護(hù)有重要意義，能夠促進(jìn)大規(guī)模重用。開(kāi)發(fā)者關(guān)注代碼的組織和模塊的關(guān)系，因此經(jīng)常使用模塊視圖和組件?連接器視圖，本次二次開(kāi)發(fā)軟件的軟件架構(gòu)如圖3所示。

2.2 GUI設(shè)計(jì)

圖形用戶(hù)界面（Graphical User Interface，GUI）是指采用圖形方式顯示的計(jì)算機(jī)操作用戶(hù)界面，給用戶(hù)帶來(lái)巨大的方便。在MAYA中使用MEL可以方便地調(diào)用內(nèi)部控件，通過(guò)布局命令和控件的組合能夠構(gòu)建復(fù)雜的程序界面。因此，首先根據(jù)軟件功能選擇合適的布局命令，將控件放置在相應(yīng)的位置，然后按照語(yǔ)法規(guī)則對(duì)控件參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)置。本次二次開(kāi)發(fā)軟件的GUI如圖4所示。

2.3 參數(shù)化建模

MAYA中參數(shù)化建模不僅需要實(shí)現(xiàn)模型本身的參數(shù)化，還需要實(shí)現(xiàn)GUI界面參數(shù)的傳遞和模型的實(shí)時(shí)響應(yīng)。溝道幾何模型基于NURBS建模，利用MAYA的Cluster變形器控制模型體素進(jìn)而改變溝道結(jié)構(gòu)，GUI界面參數(shù)傳遞給Locator組，Locator組加載有表達(dá)式，并將計(jì)算結(jié)果傳遞給Cluster組，最終實(shí)現(xiàn)溝道結(jié)構(gòu)的參數(shù)化。

輔助截面的參數(shù)化建模不僅需要結(jié)構(gòu)參數(shù)隨溝道結(jié)構(gòu)變化，而且需要截面總數(shù)目變化。截面結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)與溝道結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)類(lèi)似，通過(guò)Cluster變形器控制陣列源模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后由Locator獲取GUI參數(shù)，進(jìn)而控制Cluster組和陣列參數(shù)，實(shí)現(xiàn)輔助截面的參數(shù)化建模。為了方便觀(guān)察分層流場(chǎng)板溝道結(jié)構(gòu)和輔助截面，為不同區(qū)域指定了不同材質(zhì)顏色并可由GUI更改材質(zhì)透明度參數(shù)，不同參數(shù)下的模型如圖5所示。

2.4 日志文件輸出與執(zhí)行

TUI（Text User Interface）是FLUENT的一種符合Scheme語(yǔ)言規(guī)范的解釋性腳本語(yǔ)言命令，可以通過(guò)日志文件記錄TUI命令流。在MAYA中確定了溝道結(jié)構(gòu)參數(shù)和輔助截面位置參數(shù)（見(jiàn)圖6）后，可由二次開(kāi)發(fā)程序輸出記錄有輔助截面建模命令的日志文件，由FLUENT解釋執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)在FLUENT中建立輔助截面（見(jiàn)圖7）的目的，通過(guò)圖6和圖7，可見(jiàn)輔助截面數(shù)據(jù)正確傳遞到了FLUENT中。同時(shí)為了便于獲取數(shù)據(jù)，增加了輸出相應(yīng)的輔助截面組獲取含氣率日志文件的功能。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

μDMFC在工作過(guò)程中，甲醇滲透擴(kuò)散層在催化層發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生CO2，CO2氣體經(jīng)過(guò)擴(kuò)散層進(jìn)入陽(yáng)極溝道，在溝道內(nèi)與甲醇溶液形成氣液兩相流，非穩(wěn)態(tài)氣液兩相流的控制方程表述如下：

式中：[ρ]為流體密度；[μ]為粘度；[α]為相容積比例；[v]為速度矢量；[p]為壓力；[keff]為有效導(dǎo)熱率；[T]為溫度；[Sm，F(xiàn)，Sh]分別代表質(zhì)量源項(xiàng)、動(dòng)量源項(xiàng)和能量源項(xiàng)；下角標(biāo)1，2分別表示甲醇溶液、CO2氣體。在此氣液兩相流動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)量守恒方程，其動(dòng)量源項(xiàng)是由表面張力和壁面粘滯力產(chǎn)生的，在計(jì)算過(guò)程中對(duì)源項(xiàng)的處理采用CSF（Continuum Surface Force）模型，如下所示：

式中：[σ]為表面張力系數(shù)；[κ]為表面曲率。

本文基于雙層流場(chǎng)板溝道（如圖8所示），通過(guò)改變不同層的溝道側(cè)壁潤(rùn)濕特性從而改善陽(yáng)極溝道的氣液輸運(yùn)特性。氣體入口和液體入口均為恒定速度進(jìn)口（velocity?inlet）邊界條件，在電流密度為200 mA/cm2的工況下，通過(guò)換算得出CO2氣體入口速度約為0.06 m/s，甲醇溶液入口速度約為0.06 m/s；出口為自由出流（outflow）邊界條件；其余為壁面（wall）邊界條件，其潤(rùn)濕特性見(jiàn)表1，其中，時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)置為10-5 s，取0.6 s時(shí)的瞬態(tài)數(shù)據(jù)。

圖9為0.6 s時(shí)表1模擬條件下溝道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)情況。從圖中可以看出，當(dāng)溝道側(cè)壁上下兩部分潤(rùn)濕特性各異時(shí)，氣泡更傾向于與疏水性壁面接觸，因此溝道內(nèi)的氣液兩相流動(dòng)呈現(xiàn)出分層現(xiàn)象，即親水性側(cè)壁所在高度范圍的那一部分溝道內(nèi)主要是甲醇溶液存在，而疏水性側(cè)壁所在高度范圍的那一部分溝道是氣泡的主要運(yùn)動(dòng)區(qū)域。

陽(yáng)極溝道內(nèi)沿程輔助截面采用36?6的組合，在0.6 s時(shí)上層、下層和整層的含氣率曲線(xiàn)如圖10所示。從中可以得出，單層流場(chǎng)板溝道上部和下部含氣率數(shù)值基本相等，并無(wú)分層現(xiàn)象，雙層流場(chǎng)板溝道能夠使氣液兩相有效分層，如圖11所示。當(dāng)上層為疏水性且下層為親水性側(cè)壁的雙層流場(chǎng)板溝道有利于甲醇向催化層傳質(zhì)，能夠有效提高μDMFC輸出性能。同時(shí)，由于兩相分界面存在運(yùn)動(dòng)阻力，氣體運(yùn)動(dòng)逐漸減慢，在溝道后部開(kāi)始積累，因此溝道上層含氣率逐漸增加，這能夠指導(dǎo)μDMFC蛇形溝道長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文基于MEL構(gòu)建了GUI并由其傳遞模型特征參數(shù)，借助MAYA的交互式實(shí)時(shí)顯示平臺(tái)，通過(guò)變形器實(shí)現(xiàn)MAYA的參數(shù)化建模，以日志文件作為接口實(shí)現(xiàn)MAYA和FLUENT間的數(shù)據(jù)傳遞，從而實(shí)現(xiàn)了FLUENT的參數(shù)化建模，并基于FLUENT的仿真數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取蛇形溝道沿程截面含氣率數(shù)值，為研究燃料電池蛇形溝道輸運(yùn)特性提供了有效的數(shù)據(jù)獲取手段。

FLUENT的TUI命令流能夠準(zhǔn)確快速地建立輔助幾何圖形并獲取仿真數(shù)據(jù)，MAYA的交互式實(shí)時(shí)顯示技術(shù)為圖形工程設(shè)計(jì)和研究提供了有力的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，在本二次開(kāi)發(fā)軟件的協(xié)助下結(jié)合各平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，拓展了FLUENT的后處理功能。

通過(guò)本二次開(kāi)發(fā)軟件，對(duì)雙層流場(chǎng)板μDMFC溝道內(nèi)氣液兩相流進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明，相比于單層流場(chǎng)板溝道，雙層流場(chǎng)板溝道側(cè)壁潤(rùn)濕特性不同能夠使溝道內(nèi)氣液兩相分層流動(dòng)，其分層特性能夠改善甲醇向催化層傳質(zhì)，為提高溝道氣液輸運(yùn)特性提供了一種方法。

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