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導(dǎo)語
在全球工業(yè)數(shù)字化的大趨勢下，仿真技術(shù)在企業(yè)正向技術(shù)研發(fā)中扮演的角色越來越重要，其在產(chǎn)品創(chuàng)新和技術(shù)突破等方面的作用越來越大。引用某位行業(yè)大拿的一句話：“今天的全球工業(yè)，仿真已經(jīng)成為生產(chǎn)力”。然而在國內(nèi)，仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到預(yù)期的深度和效果。
燃料電池在實(shí)際運(yùn)行過程中內(nèi)部發(fā)生著極為復(fù)雜和多變的物理化學(xué)過程，涉及了流體力學(xué)、傳熱與傳質(zhì)、電化學(xué)等多物理的耦合問題，所以其仿真技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用難度是比較大的。此外，燃料電池多物理場仿真在企業(yè)中應(yīng)用時普遍存在所謂“仿假”的痛點(diǎn)。簡單來說就是：對于同一問題，兩個工程師，使用同一仿真工具，得到的結(jié)果不同；同一工程師，使用不同仿真工具，得到的結(jié)果也不同；最后試驗(yàn)驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)這兩個仿真結(jié)果與試驗(yàn)都不同。
未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊，針對燃料電池“仿假”痛點(diǎn)，自主建立了燃料電池多物理場仿真的標(biāo)準(zhǔn)化體系，通過標(biāo)準(zhǔn)化的仿真流程和人才培養(yǎng)，能夠盡可能地杜絕由于仿真工具以及工程師經(jīng)驗(yàn)參差不齊造成的仿真結(jié)果差異問題，進(jìn)一步地，通過標(biāo)準(zhǔn)化的標(biāo)定流程，能夠控制仿真與試驗(yàn)的誤差在10%范圍，最終實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動研發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
燃料電池多物理場仿真標(biāo)準(zhǔn)化體系的核心目的是充分發(fā)揮仿真技術(shù)在項(xiàng)目開發(fā)中的作用以及搭建一支專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊。
下文將從幾個亮點(diǎn)，為大家解析未勢能源燃料電池多物理場仿真標(biāo)準(zhǔn)化體系的具體細(xì)節(jié)。
亮點(diǎn)1：強(qiáng)針對性的仿真模型
燃料電池仿真并不是一個新鮮話題，國內(nèi)外著名高校以及軟件供應(yīng)商都分別發(fā)布了與燃料電池仿真相關(guān)的學(xué)術(shù)成果和解決方案。但是，細(xì)究之后發(fā)現(xiàn)大多數(shù)仿真模型僅考慮了部分物理化學(xué)機(jī)理，如多孔層的氣體擴(kuò)散、催化層的電化學(xué)反應(yīng)等，相比于燃料電池真實(shí)發(fā)生的復(fù)雜物理化學(xué)過程，仍然有些差距。
當(dāng)然，并不是說仿真模型考慮的物理現(xiàn)象越多或者越詳細(xì)就越好，同時還應(yīng)考慮仿真模型的計算成本。模型越詳細(xì)，雖然仿真精度越高，但是隨之帶來的計算時間成本卻指數(shù)增加。因此，從工程角度來講，對仿真模型的要求應(yīng)該是：在有限計算周期的約束下，基于實(shí)際工程問題和目標(biāo)，開發(fā)適合的仿真模型。
比如，針對燃料電池水淹問題，仿真模型必須要考慮液態(tài)水的生成、輸運(yùn)以及相變過程。基于上述理念，未勢能源仿真團(tuán)隊開發(fā)了燃料電池3D水熱管理仿真模型、燃料電池電堆冷啟動過程仿真模型等，從而做到“對癥下藥”。
亮點(diǎn)2：疏密有序的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)
網(wǎng)格無關(guān)性也不是一個新鮮概念：網(wǎng)格越密，求解精度越高；當(dāng)網(wǎng)格細(xì)密到一定程度，計算精度提高將不再明顯，然而計算時間卻指數(shù)倍增加。因此，目前行業(yè)普遍做法：在仿真之初先進(jìn)行網(wǎng)格無關(guān)性研究，并且會根據(jù)幾何模型不同部位的重要程度針對性地劃分不同細(xì)密程度的網(wǎng)格，以滿足計算精度的同時減少計算時間。
未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊在上述方法的基礎(chǔ)上，針對燃料電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和模型機(jī)理，又進(jìn)一步做了一系列更加細(xì)致的研究工作，包括雙極板流道層流流動、MEA多孔介質(zhì)組分輸運(yùn)、電化學(xué)反應(yīng)與傳熱等的網(wǎng)格無關(guān)性研究，最終確定了燃料電池多物理場仿真的網(wǎng)格劃分標(biāo)準(zhǔn)：復(fù)雜流道采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，規(guī)則MEA采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，并對不同幾何部位分別制定了相應(yīng)最佳的網(wǎng)格尺寸，從而盡可能避免由于工程師經(jīng)驗(yàn)差異導(dǎo)致的仿真結(jié)果差異問題。
亮點(diǎn)3：積少成多的材料庫
多物理場仿真不可避免會涉及到各種材料，一些仿真工具也內(nèi)置了材料庫，比如ANSYS、AVL等。但是，對于燃料電池多物理場仿真來講，當(dāng)前軟件內(nèi)置的材料庫是相當(dāng)殘缺的。這主要受限于燃料電池技術(shù)本身還沒有成熟，以及軟件供應(yīng)商沒有足夠的能力和精力去測試各種各樣材料的屬性。
其實(shí)，材料庫的搭建一方面有助于企業(yè)規(guī)范化管理材料數(shù)據(jù)，另一方面也有助于降低燃料電池多物理場仿真的難度和提高仿真的精度。尤其，對于未勢能源這種自主研發(fā)膜電極的科技公司來說，為了確保仿真能夠準(zhǔn)確且高效地評價每一代膜電極的電化學(xué)性能以及與雙極板的匹配效果，必須搭建自主的材料庫。
當(dāng)然，材料庫的搭建是一個日積月累的過程，目前未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊已經(jīng)根據(jù)自身的仿真需求搭建了一個材料庫的雛形，未來將更加全面和規(guī)范。
亮點(diǎn)4：科學(xué)有效的標(biāo)定流程
談起仿真，一個回避不了的話題就是如何保證仿真精度。對于燃料電池多物理場仿真來說，以燃料電池3D水熱管理仿真模型為例，其包括CFD子模型、多組分?jǐn)U散子模型、兩相流子模型、傳熱計算子模型、多孔介質(zhì)子模型、電化學(xué)反應(yīng)子模型以及子模型之間的強(qiáng)耦合等，是非常復(fù)雜的。模型越多，輸入?yún)?shù)越多，那么影響仿真精度的因素就越多，提高仿真精度的難度就越大。
未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊采用系統(tǒng)工程加減法的方法，對仿真模型的輸入?yún)?shù)，包括CAD結(jié)構(gòu)參數(shù)、材料物性參數(shù)、反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行了抽絲剝繭和系統(tǒng)總結(jié)，最終識別了燃料電池活化損失、歐姆損失以及擴(kuò)散損失的主要影響參數(shù)，并根據(jù)其影響規(guī)律，制定了規(guī)范化的標(biāo)定流程，將仿真誤差控制在10%以內(nèi)。
亮點(diǎn)5：形成閉環(huán)的培訓(xùn)教材
未勢能源立志打造一支專業(yè)的可持續(xù)發(fā)展的燃料電池仿真團(tuán)隊。何謂專業(yè)，就是要求仿真人員應(yīng)具備一定的學(xué)科理論基礎(chǔ)、工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)以及多種仿真工具的使用能力。何謂可持續(xù)發(fā)展，就是仿真團(tuán)隊人才梯度化，既有仿真專家的養(yǎng)成，又有新鮮血液的流入。相信，這也是行業(yè)先驅(qū)們已經(jīng)在干或者正在干的事兒。
未勢能源不僅歡迎優(yōu)秀人才的加入，同時也注重人才的自我培養(yǎng)。針對人才培養(yǎng)，燃料電池仿真團(tuán)隊開發(fā)并編寫了不同系列的仿真培訓(xùn)教材，包括：電化學(xué)仿真，CFD仿真、結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真等，教材形式包括：培訓(xùn)課件、培訓(xùn)模型以及培訓(xùn)視頻，從而形成閉環(huán)的培訓(xùn)教材?；陂]環(huán)培訓(xùn)教材的自主學(xué)習(xí)，新員工可在極短時間內(nèi)勝任各自崗位的工作職責(zé)。
亮點(diǎn)6：豐富多樣的項(xiàng)目應(yīng)用
“磨刀不誤砍柴工”，一支優(yōu)秀的仿真團(tuán)隊，不僅要修煉好內(nèi)功，還應(yīng)該具備仿真評價設(shè)計、優(yōu)化設(shè)計、驅(qū)動設(shè)計的能力，就像一支訓(xùn)練有素的軍隊，來則能戰(zhàn)，戰(zhàn)則必勝！
誠然，未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊現(xiàn)在以及未來都有很長的路要走，但是我們將一直堅持不懈地往前走。目前，我們已經(jīng)將仿真技術(shù)應(yīng)用到了燃料電池雙極板流場設(shè)計、MEA選型、水淹分析、冷啟動策略優(yōu)化、壽命老化分析等實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)中。
結(jié)尾
綜上所述，雖然燃料電池多物理場仿真復(fù)雜且困難，但是如果能夠基于實(shí)際工程問題和目標(biāo)，開發(fā)出適合的仿真模型，并配合一些標(biāo)準(zhǔn)化的仿真方法和流程，最終是能夠充分發(fā)揮仿真技術(shù)在正向技術(shù)研發(fā)中的作用，從而實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動研發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)。
基于上述理念，未勢能源燃料電池仿真團(tuán)隊自主建立了燃料電池多物理場仿真的標(biāo)準(zhǔn)化體系，解決了燃料電池行業(yè)的“仿假”問題，讓仿真回歸“仿真”！
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦氫科技網(wǎng)）：未勢能源自主建立燃料電池多物理場仿真標(biāo)準(zhǔn)化體系
