基于MAYA参数化建模的FLUENT设计与应用

时均浩 李苗苗 朱如鹏

摘 要： 由于μDMFC结构尺寸的减小致使CO2气体容易阻塞阳极沟道，影响沟道内的气液输运。含气率作为评估沟道气液输运特性的标准之一，但是目前的后处理过程难以直接获取蛇形沟道沿程截面含气率，因此针对FLUENT后处理进行二次开发。该二次开发程序通过GUI传递模型特征参数，基于MAYA的可视化交互环境进行参数化模型的实时显示，并以日志文件作为接口实现MAYA和FLUENT间的数据传递从而实现参数化建模，进而获取沟道沿程截面含气率数值。最后基于二次开发软件研究了一种新型流场板结构，并发现改变双层流场板沟道侧壁面润湿特性能有效改善沟道气液输运特性。此处理方法不仅为研究燃料电池沟道输运特性提供了有效的数据获取手段，也为研究气液两相流动现象提供了解决思路。

关键词： 参数化建模； 二次开发； FLUENT； 气液两相流； 数值模拟； 流场板结构

中图分类号： TN304?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 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

微型直接甲醇燃料电池（Micro Direct Methanol Fuel Cell，μDMFC）采用甲醇作为燃料，具有绿色环保、携带方便等特点，在小型便携式设备领域有着广阔的应用前景[1?3]。μDMFC结构尺寸的减小增加了流体在沟道中的流动阻力，并且甲醇燃料反应生成的CO2气体通过扩散层进入阳极沟道后形成气液两相流，气体积聚在阳极沟道不能顺利排出，不仅会抢占阳极催化层的活性位置，阻碍甲醇向催化层传质，降低电化学反应效率，而且会堵塞沟道，阻碍甲醇溶液的输运。因此，为了实现μDMFC长期稳定地运行，就必须保证微沟道具有良好的气液输运管理特性。

在流场结构方面，文献[4?5]通过实验发现蛇形流场相较于平行流场更有利于CO2气体的排出。文献[6]通过数值模拟，同样证明了采用蛇形流场的燃料电池有较好的性能。在数值模拟中，不仅可以得到可视化方法中的气液两相分布，而且还能得到沟道截面含气率。但是蛇形流场具有迂回特性，为了获取沟道沿程截面含气率，需要建立等距辅助截面并为截面定义编号，获取含气率数值并整理数据才能得到有用结果，但是目前的后处理软件无法直接得到需要的结果。

针对这种情况，为了充分发挥各平台的优势、消除在单一平台中进行后处理的局限性，本文以μDMFC阳极沟道内两相流动为研究背景，借助FLUENT软件进行数值模拟，结合MAYA软件进行二次开发，主要研究交互式建立辅助几何图形、分析其技术可行性及实现方法。

1 二次开发设计思路

在进行二次开发前，需要明确使用需求，了解所涉及软件的可开发性及开发途径，综合考虑开发语言、软件运行环境、代码执行效率、是否需要组建开发环境等问题。分析多种可行性方案并从中选取最优方案加以实现，再根据实际使用需要进行代码优化和增加辅助功能等。

1.1 需求分析

后处理的目的是将求解器的计算结果转化为图片、动画和数据报告等形式，进而对流动数值计算结果进行有效的观察和分析。在后处理中，如果需要获取三维流体域内部某一点数值或某一截面云图，首先需要建立辅助点或辅助平面，进而获取所需数据。在μDMFC阳极流场沟道的研究中，为了评估其气液输运特性，需要在沟道内沿程建立等距截面（如图1所示），并获取该截面组的含气率，结合Tecplot中呈现的气相分布图，综合分析沟道性能。通过FLUENT的交互界面建立数目众多的辅助几何图形过于繁琐，而且数值模拟前无法确定气相的分散程度，因此无法设定合理的截面间距，进而要求本次二次开发能够灵活地改变辅助截面的间距。

1.2 设计思路

计算流体力学（CFD）软件FLUENT采用C语言编写核心程序，因此资源利用率高，可对流体力学的多类问题进行数值模拟和分析研究。FLUENT的TUI命令流符合Scheme语言规范，能灵活地实现CFD分析中的众多相关功能，为工程设计和研究提供了有力的开发平台和分析工具[7?8]。通过分析辅助截面参数特性，得出合理的TUI命令，为后期的参数优化做准备。

三维动画软件MAYA具有成熟的图形学算法和良好的可视化交互环境，很适合交互式建立后处理中用到的辅助几何图形。MAYA的整个图形用户界面都采用MAYA嵌入式语言（MAYA Embedded Language，MEL）编写和控制，因此使用MEL可以方便地编写程序界面。使用MEL还可以访问MAYA属性，包括参数化建模命令及图形可视化命令等，进行算法设计和进程控制等[9?11]。借助MAYA平台的交互显示，改变模型结构参数能实时显示结果，因此可以快速获得辅助截面间距参数。同时MAYA还提供了更为强大的插件开发接口C++ API[12]，能够访问系统中的资源，但是插件开发需要初始化，容易产生程序错误，可能导致内存泄漏、数据丢失等故障，开发者必须熟悉MAYA软件的开发架构并需要编写复杂的初始化代码，因此对开发者的技术水平要求较高。综合考虑开发语言易用性和软件安全性，MAYA中后处理的二次开发语言采用MEL。

在MAYA中需要做到沟道模型的参数化和辅助截面的参数化，以适应不同结构尺寸的蛇形沟道；为了方便观察模型的三维空间结构关系，几何模型都需要可视化显示，并且更改参数时需要模型实时显示；确定辅助截面的参数后，能够灵活生成相应的符合Scheme语言规范的日志文件。为了能够在FLUENT中重现辅助截面，以日志文件为接口，由FLUENT读入执行，从而建立与MAYA中同样效果的辅助截面，进而可以获取截面含气率数值用于研究分析沟道特性，数据获取流程见图2。

2 程序设计

2.1 软件架构

软件架构（Software Architecture，SA）[13]是一个系统的基本组织，体现在组成系统的各构件、构件的相互关系、构件与环境的关系，以及指导构件设计和随时间演进的原则当中。软件架构是一个系统的草图，描述的对象是直接构成系统的抽象组件和其间的连接与通信。在实现过程中，通过具体的类或者对象将抽象组件细化为实际组件，组件之间的连接通常用接口来实现。

良好的软件架构不仅便于软件开发者实现软件模块化设计，还对软件系统的后续开发、部署和维护有重要意义，能够促进大规模重用。开发者关注代码的组织和模块的关系，因此经常使用模块视图和组件?连接器视图，本次二次开发软件的软件架构如图3所示。

2.2 GUI设计

图形用户界面（Graphical User Interface，GUI）是指采用图形方式显示的计算机操作用户界面，给用户带来巨大的方便。在MAYA中使用MEL可以方便地调用内部控件，通过布局命令和控件的组合能够构建复杂的程序界面。因此，首先根据软件功能选择合适的布局命令，将控件放置在相应的位置，然后按照语法规则对控件参数进行详细设置。本次二次开发软件的GUI如图4所示。

2.3 参数化建模

MAYA中参数化建模不仅需要实现模型本身的参数化，还需要实现GUI界面参数的传递和模型的实时响应。沟道几何模型基于NURBS建模，利用MAYA的Cluster变形器控制模型体素进而改变沟道结构，GUI界面参数传递给Locator组，Locator组加载有表达式，并将计算结果传递给Cluster组，最终实现沟道结构的参数化。

辅助截面的参数化建模不仅需要结构参数随沟道结构变化，而且需要截面总数目变化。截面结构参数化设计与沟道结构参数化设计类似，通过Cluster变形器控制阵列源模型的结构参数，然后由Locator获取GUI参数，进而控制Cluster组和阵列参数，实现辅助截面的参数化建模。為了方便观察分层流场板沟道结构和辅助截面，为不同区域指定了不同材质颜色并可由GUI更改材质透明度参数，不同参数下的模型如图5所示。

2.4 日志文件输出与执行

TUI（Text User Interface）是FLUENT的一种符合Scheme语言规范的解释性脚本语言命令，可以通过日志文件记录TUI命令流。在MAYA中确定了沟道结构参数和辅助截面位置参数（见图6）后，可由二次开发程序输出记录有辅助截面建模命令的日志文件，由FLUENT解释执行，从而实现在FLUENT中建立辅助截面（见图7）的目的，通过图6和图7，可见辅助截面数据正确传递到了FLUENT中。同时为了便于获取数据，增加了输出相应的辅助截面组获取含气率日志文件的功能。

3 工程应用实例

μDMFC在工作过程中，甲醇渗透扩散层在催化层发生化学反应产生CO2，CO2气体经过扩散层进入阳极沟道，在沟道内与甲醇溶液形成气液两相流，非稳态气液两相流的控制方程表述如下：

式中：[ρ]为流体密度；[μ]为粘度；[α]为相容积比例；[v]为速度矢量；[p]为压力；[keff]为有效导热率；[T]为温度；[Sm，F，Sh]分别代表质量源项、动量源项和能量源项；下角标1，2分别表示甲醇溶液、CO2气体。在此气液两相流动系统中的动量守恒方程，其动量源项是由表面张力和壁面粘滞力产生的，在计算过程中对源项的处理采用CSF（Continuum Surface Force）模型，如下所示：

式中：[σ]为表面张力系数；[κ]为表面曲率。

本文基于双层流场板沟道（如图8所示），通过改变不同层的沟道侧壁润湿特性从而改善阳极沟道的气液输运特性。气体入口和液体入口均为恒定速度进口（velocity?inlet）边界条件，在电流密度为200 mA/cm2的工况下，通过换算得出CO2气体入口速度约为0.06 m/s，甲醇溶液入口速度约为0.06 m/s；出口为自由出流（outflow）边界条件；其余为壁面（wall）边界条件，其润湿特性见表1，其中，时间步长设置为10-5 s，取0.6 s时的瞬态数据。

图9为0.6 s时表1模拟条件下沟道内的气液两相流动情况。从图中可以看出，当沟道侧壁上下两部分润湿特性各异时，气泡更倾向于与疏水性壁面接触，因此沟道内的气液两相流动呈现出分层现象，即亲水性侧壁所在高度范围的那一部分沟道内主要是甲醇溶液存在，而疏水性侧壁所在高度范围的那一部分沟道是气泡的主要运动区域。

阳极沟道内沿程辅助截面采用36?6的组合，在0.6 s时上层、下层和整层的含气率曲线如图10所示。从中可以得出，单层流场板沟道上部和下部含气率数值基本相等，并无分层现象，双层流场板沟道能够使气液两相有效分层，如图11所示。当上层为疏水性且下层为亲水性侧壁的双层流场板沟道有利于甲醇向催化层传质，能够有效提高μDMFC输出性能。同时，由于两相分界面存在运动阻力，气体运动逐渐减慢，在沟道后部开始积累，因此沟道上层含气率逐渐增加，这能够指导μDMFC蛇形沟道长度的设计。

4 结 语

本文基于MEL构建了GUI并由其传递模型特征参数，借助MAYA的交互式实时显示平台，通过变形器实现MAYA的参数化建模，以日志文件作为接口实现MAYA和FLUENT间的数据传递，从而实现了FLUENT的参数化建模，并基于FLUENT的仿真数据，进而获取蛇形沟道沿程截面含气率数值，为研究燃料电池蛇形沟道输运特性提供了有效的数据获取手段。

FLUENT的TUI命令流能够准确快速地建立辅助几何图形并获取仿真数据，MAYA的交互式实时显示技术为图形工程设计和研究提供了有力的开发平台，在本二次开发软件的协助下结合各平台的优势，拓展了FLUENT的后处理功能。

通过本二次开发软件，对双层流场板μDMFC沟道内气液两相流进行仿真分析，结果表明，相比于单层流场板沟道，双层流场板沟道侧壁润湿特性不同能够使沟道内气液两相分层流动，其分层特性能够改善甲醇向催化层传质，为提高沟道气液输运特性提供了一种方法。

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