基于MAYA參數化建模的FLUENT設計與應用

時均浩 李苗苗 朱如鵬

摘 要： 由于μDMFC結構尺寸的減小致使CO2氣體容易阻塞陽極溝道，影響溝道內的氣液輸運。含氣率作為評估溝道氣液輸運特性的標準之一，但是目前的后處理過程難以直接獲取蛇形溝道沿程截面含氣率，因此針對FLUENT后處理進行二次開發。該二次開發程序通過GUI傳遞模型特征參數，基于MAYA的可視化交互環境進行參數化模型的實時顯示，并以日志文件作為接口實現MAYA和FLUENT間的數據傳遞從而實現參數化建模，進而獲取溝道沿程截面含氣率數值。最后基于二次開發軟件研究了一種新型流場板結構，并發現改變雙層流場板溝道側壁面潤濕特性能有效改善溝道氣液輸運特性。此處理方法不僅為研究燃料電池溝道輸運特性提供了有效的數據獲取手段，也為研究氣液兩相流動現象提供了解決思路。

關鍵詞： 參數化建模； 二次開發； FLUENT； 氣液兩相流； 數值模擬； 流場板結構

中圖分類號： TN304?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 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，具有綠色環保、攜帶方便等特點，在小型便攜式設備領域有著廣闊的應用前景[1?3]。μDMFC結構尺寸的減小增加了流體在溝道中的流動阻力，并且甲醇燃料反應生成的CO2氣體通過擴散層進入陽極溝道后形成氣液兩相流，氣體積聚在陽極溝道不能順利排出，不僅會搶占陽極催化層的活性位置，阻礙甲醇向催化層傳質，降低電化學反應效率，而且會堵塞溝道，阻礙甲醇溶液的輸運。因此，為了實現μDMFC長期穩定地運行，就必須保證微溝道具有良好的氣液輸運管理特性。

在流場結構方面，文獻[4?5]通過實驗發現蛇形流場相較于平行流場更有利于CO2氣體的排出。文獻[6]通過數值模擬，同樣證明了采用蛇形流場的燃料電池有較好的性能。在數值模擬中，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，獲取含氣率數值并整理數據才能得到有用結果，但是目前的后處理軟件無法直接得到需要的結果。

針對這種情況，為了充分發揮各平臺的優勢、消除在單一平臺中進行后處理的局限性，本文以μDMFC陽極溝道內兩相流動為研究背景，借助FLUENT軟件進行數值模擬，結合MAYA軟件進行二次開發，主要研究交互式建立輔助幾何圖形、分析其技術可行性及實現方法。

1 二次開發設計思路

在進行二次開發前，需要明確使用需求，了解所涉及軟件的可開發性及開發途徑，綜合考慮開發語言、軟件運行環境、代碼執行效率、是否需要組建開發環境等問題。分析多種可行性方案并從中選取最優方案加以實現，再根據實際使用需要進行代碼優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算結果轉化為圖片、動畫和數據報告等形式，進而對流動數值計算結果進行有效的觀察和分析。在后處理中，如果需要獲取三維流體域內部某一點數值或某一截面云圖，首先需要建立輔助點或輔助平面，進而獲取所需數據。在μDMFC陽極流場溝道的研究中，為了評估其氣液輸運特性，需要在溝道內沿程建立等距截面（如圖1所示），并獲取該截面組的含氣率，結合Tecplot中呈現的氣相分布圖，綜合分析溝道性能。通過FLUENT的交互界面建立數目眾多的輔助幾何圖形過于繁瑣，而且數值模擬前無法確定氣相的分散程度，因此無法設定合理的截面間距，進而要求本次二次開發能夠靈活地改變輔助截面的間距。

1.2 設計思路

計算流體力學（CFD）軟件FLUENT采用C語言編寫核心程序，因此資源利用率高，可對流體力學的多類問題進行數值模擬和分析研究。FLUENT的TUI命令流符合Scheme語言規范，能靈活地實現CFD分析中的眾多相關功能，為工程設計和研究提供了有力的開發平臺和分析工具[7?8]。通過分析輔助截面參數特性，得出合理的TUI命令，為后期的參數優化做準備。

三維動畫軟件MAYA具有成熟的圖形學算法和良好的可視化交互環境，很適合交互式建立后處理中用到的輔助幾何圖形。MAYA的整個圖形用戶界面都采用MAYA嵌入式語言（MAYA Embedded Language，MEL）編寫和控制，因此使用MEL可以方便地編寫程序界面。使用MEL還可以訪問MAYA屬性，包括參數化建模命令及圖形可視化命令等，進行算法設計和進程控制等[9?11]。借助MAYA平臺的交互顯示，改變模型結構參數能實時顯示結果，因此可以快速獲得輔助截面間距參數。同時MAYA還提供了更為強大的插件開發接口C++ API[12]，能夠訪問系統中的資源，但是插件開發需要初始化，容易產生程序錯誤，可能導致內存泄漏、數據丟失等故障，開發者必須熟悉MAYA軟件的開發架構并需要編寫復雜的初始化代碼，因此對開發者的技術水平要求較高。綜合考慮開發語言易用性和軟件安全性，MAYA中后處理的二次開發語言采用MEL。

在MAYA中需要做到溝道模型的參數化和輔助截面的參數化，以適應不同結構尺寸的蛇形溝道；為了方便觀察模型的三維空間結構關系，幾何模型都需要可視化顯示，并且更改參數時需要模型實時顯示；確定輔助截面的參數后，能夠靈活生成相應的符合Scheme語言規范的日志文件。為了能夠在FLUENT中重現輔助截面，以日志文件為接口，由FLUENT讀入執行，從而建立與MAYA中同樣效果的輔助截面，進而可以獲取截面含氣率數值用于研究分析溝道特性，數據獲取流程見圖2。

2 程序設計

2.1 軟件架構

軟件架構（Software Architecture，SA）[13]是一個系統的基本組織，體現在組成系統的各構件、構件的相互關系、構件與環境的關系，以及指導構件設計和隨時間演進的原則當中。軟件架構是一個系統的草圖，描述的對象是直接構成系統的抽象組件和其間的連接與通信。在實現過程中，通過具體的類或者對象將抽象組件細化為實際組件，組件之間的連接通常用接口來實現。

良好的軟件架構不僅便于軟件開發者實現軟件模塊化設計，還對軟件系統的后續開發、部署和維護有重要意義，能夠促進大規模重用。開發者關注代碼的組織和模塊的關系，因此經常使用模塊視圖和組件?連接器視圖，本次二次開發軟件的軟件架構如圖3所示。

2.2 GUI設計

圖形用戶界面（Graphical User Interface，GUI）是指采用圖形方式顯示的計算機操作用戶界面，給用戶帶來巨大的方便。在MAYA中使用MEL可以方便地調用內部控件，通過布局命令和控件的組合能夠構建復雜的程序界面。因此，首先根據軟件功能選擇合適的布局命令，將控件放置在相應的位置，然后按照語法規則對控件參數進行詳細設置。本次二次開發軟件的GUI如圖4所示。

2.3 參數化建模

MAYA中參數化建模不僅需要實現模型本身的參數化，還需要實現GUI界面參數的傳遞和模型的實時響應。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而改變溝道結構，GUI界面參數傳遞給Locator組，Locator組加載有表達式，并將計算結果傳遞給Cluster組，最終實現溝道結構的參數化。

輔助截面的參數化建模不僅需要結構參數隨溝道結構變化，而且需要截面總數目變化。截面結構參數化設計與溝道結構參數化設計類似，通過Cluster變形器控制陣列源模型的結構參數，然后由Locator獲取GUI參數，進而控制Cluster組和陣列參數，實現輔助截面的參數化建模。為了方便觀察分層流場板溝道結構和輔助截面，為不同區域指定了不同材質顏色并可由GUI更改材質透明度參數，不同參數下的模型如圖5所示。

2.4 日志文件輸出與執行

TUI（Text User Interface）是FLUENT的一種符合Scheme語言規范的解釋性腳本語言命令，可以通過日志文件記錄TUI命令流。在MAYA中確定了溝道結構參數和輔助截面位置參數（見圖6）后，可由二次開發程序輸出記錄有輔助截面建模命令的日志文件，由FLUENT解釋執行，從而實現在FLUENT中建立輔助截面（見圖7）的目的，通過圖6和圖7，可見輔助截面數據正確傳遞到了FLUENT中。同時為了便于獲取數據，增加了輸出相應的輔助截面組獲取含氣率日志文件的功能。

3 工程應用實例

μDMFC在工作過程中，甲醇滲透擴散層在催化層發生化學反應產生CO2，CO2氣體經過擴散層進入陽極溝道，在溝道內與甲醇溶液形成氣液兩相流，非穩態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]為有效導熱率；[T]為溫度；[Sm，F，Sh]分別代表質量源項、動量源項和能量源項；下角標1，2分別表示甲醇溶液、CO2氣體。在此氣液兩相流動系統中的動量守恒方程，其動量源項是由表面張力和壁面粘滯力產生的，在計算過程中對源項的處理采用CSF（Continuum Surface Force）模型，如下所示：

式中：[σ]為表面張力系數；[κ]為表面曲率。

本文基于雙層流場板溝道（如圖8所示），通過改變不同層的溝道側壁潤濕特性從而改善陽極溝道的氣液輸運特性。氣體入口和液體入口均為恒定速度進口（velocity?inlet）邊界條件，在電流密度為200 mA/cm2的工況下，通過換算得出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，其潤濕特性見表1，其中，時間步長設置為10-5 s，取0.6 s時的瞬態數據。

圖9為0.6 s時表1模擬條件下溝道內的氣液兩相流動情況。從圖中可以看出，當溝道側壁上下兩部分潤濕特性各異時，氣泡更傾向于與疏水性壁面接觸，因此溝道內的氣液兩相流動呈現出分層現象，即親水性側壁所在高度范圍的那一部分溝道內主要是甲醇溶液存在，而疏水性側壁所在高度范圍的那一部分溝道是氣泡的主要運動區域。

陽極溝道內沿程輔助截面采用36?6的組合，在0.6 s時上層、下層和整層的含氣率曲線如圖10所示。從中可以得出，單層流場板溝道上部和下部含氣率數值基本相等，并無分層現象，雙層流場板溝道能夠使氣液兩相有效分層，如圖11所示。當上層為疏水性且下層為親水性側壁的雙層流場板溝道有利于甲醇向催化層傳質，能夠有效提高μDMFC輸出性能。同時，由于兩相分界面存在運動阻力，氣體運動逐漸減慢，在溝道后部開始積累，因此溝道上層含氣率逐漸增加，這能夠指導μDMFC蛇形溝道長度的設計。

4 結 語

本文基于MEL構建了GUI并由其傳遞模型特征參數，借助MAYA的交互式實時顯示平臺，通過變形器實現MAYA的參數化建模，以日志文件作為接口實現MAYA和FLUENT間的數據傳遞，從而實現了FLUENT的參數化建模，并基于FLUENT的仿真數據，進而獲取蛇形溝道沿程截面含氣率數值，為研究燃料電池蛇形溝道輸運特性提供了有效的數據獲取手段。

FLUENT的TUI命令流能夠準確快速地建立輔助幾何圖形并獲取仿真數據，MAYA的交互式實時顯示技術為圖形工程設計和研究提供了有力的開發平臺，在本二次開發軟件的協助下結合各平臺的優勢，拓展了FLUENT的后處理功能。

通過本二次開發軟件，對雙層流場板μDMFC溝道內氣液兩相流進行仿真分析，結果表明，相比于單層流場板溝道，雙層流場板溝道側壁潤濕特性不同能夠使溝道內氣液兩相分層流動，其分層特性能夠改善甲醇向催化層傳質，為提高溝道氣液輸運特性提供了一種方法。

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