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導語
在全球工業(yè)數(shù)字化的大趨勢下，仿真技術在企業(yè)正向技術研發(fā)中扮演的角色越來越重要，其在產品創(chuàng)新和技術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)，仿真已經成為生產力”。然而在國內，仿真技術的開發(fā)和應用卻遠遠沒有達到預期的深度和效果。
燃料電池在實際運行過程中內部發(fā)生著極為復雜和多變的物理化學過程，涉及了流體力學、傳熱與傳質、電化學等多物理的耦合問題，所以其仿真技術的開發(fā)和應用難度是比較大的。此外，燃料電池多物理場仿真在企業(yè)中應用時普遍存在所謂“仿假”的痛點。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，得到的結果不同；同一工程師，使用不同仿真工具，得到的結果也不同；最后試驗驗證，發(fā)現(xiàn)這兩個仿真結果與試驗都不同。
未勢能源燃料電池仿真團隊，針對燃料電池“仿假”痛點，自主建立了燃料電池多物理場仿真的標準化體系，通過標準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驗參差不齊造成的仿真結果差異問題，進一步地，通過標準化的標定流程，能夠控制仿真與試驗的誤差在10%范圍，最終實現(xiàn)仿真驅動研發(fā)的戰(zhàn)略目標。
燃料電池多物理場仿真標準化體系的核心目的是充分發(fā)揮仿真技術在項目開發(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隊。
下文將從幾個亮點，為大家解析未勢能源燃料電池多物理場仿真標準化體系的具體細節(jié)。
亮點1：強針對性的仿真模型
燃料電池仿真并不是一個新鮮話題，國內外著名高校以及軟件供應商都分別發(fā)布了與燃料電池仿真相關的學術成果和解決方案。但是，細究之后發(fā)現(xiàn)大多數(shù)仿真模型僅考慮了部分物理化學機理，如多孔層的氣體擴散、催化層的電化學反應等，相比于燃料電池真實發(fā)生的復雜物理化學過程，仍然有些差距。
當然，并不是說仿真模型考慮的物理現(xiàn)象越多或者越詳細就越好，同時還應考慮仿真模型的計算成本。模型越詳細，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該是：在有限計算周期的約束下，基于實際工程問題和目標，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、輸運以及相變過程。基于上述理念，未勢能源仿真團隊開發(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2：疏密有序的網格劃分標準
網格無關性也不是一個新鮮概念：網格越密，求解精度越高；當網格細密到一定程度，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：在仿真之初先進行網格無關性研究，并且會根據幾何模型不同部位的重要程度針對性地劃分不同細密程度的網格，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隊在上述方法的基礎上，針對燃料電池的結構特點和模型機理，又進一步做了一系列更加細致的研究工作，包括雙極板流道層流流動、MEA多孔介質組分輸運、電化學反應與傳熱等的網格無關性研究，最終確定了燃料電池多物理場仿真的網格劃分標準：復雜流道采用非結構化網格，規(guī)則MEA采用結構化網格，并對不同幾何部位分別制定了相應最佳的網格尺寸，從而盡可能避免由于工程師經驗差異導致的仿真結果差異問題。
亮點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，當前軟件內置的材料庫是相當殘缺的。這主要受限于燃料電池技術本身還沒有成熟，以及軟件供應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，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，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確且高效地評價每一代膜電極的電化學性能以及與雙極板的匹配效果，必須搭建自主的材料庫。
當然，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隊已經根據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4：科學有效的標定流程
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、多組分擴散子模型、兩相流子模型、傳熱計算子模型、多孔介質子模型、電化學反應子模型以及子模型之間的強耦合等，是非常復雜的。模型越多，輸入參數(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隊采用系統(tǒng)工程加減法的方法，對仿真模型的輸入參數(shù)，包括CAD結構參數(shù)、材料物性參數(shù)、反應動力學參數(shù)，進行了抽絲剝繭和系統(tǒng)總結，最終識別了燃料電池活化損失、歐姆損失以及擴散損失的主要影響參數(shù)，并根據其影響規(guī)律，制定了規(guī)范化的標定流程，將仿真誤差控制在10%以內。
亮點5：形成閉環(huán)的培訓教材
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隊。何謂專業(yè)，就是要求仿真人員應具備一定的學科理論基礎、工程實踐經驗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)先驅們已經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)，燃料電池仿真團隊開發(fā)并編寫了不同系列的仿真培訓教材，包括：電化學仿真，CFD仿真、結構力學仿真等，教材形式包括：培訓課件、培訓模型以及培訓視頻，從而形成閉環(huán)的培訓教材。基于閉環(huán)培訓教材的自主學習，新員工可在極短時間內勝任各自崗位的工作職責。
亮點6：豐富多樣的項目應用
“磨刀不誤砍柴工”，一支優(yōu)秀的仿真團隊，不僅要修煉好內功，還應該具備仿真評價設計、優(yōu)化設計、驅動設計的能力，就像一支訓練有素的軍隊，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，我們已經將仿真技術應用到了燃料電池雙極板流場設計、MEA選型、水淹分析、冷啟動策略優(yōu)化、壽命老化分析等實際的項目開發(fā)中。
結尾
綜上所述，雖然燃料電池多物理場仿真復雜且困難，但是如果能夠基于實際工程問題和目標，開發(fā)出適合的仿真模型，并配合一些標準化的仿真方法和流程，最終是能夠充分發(fā)揮仿真技術在正向技術研發(fā)中的作用，從而實現(xiàn)仿真驅動研發(fā)的戰(zhàn)略目標。
基于上述理念，未勢能源燃料電池仿真團隊自主建立了燃料電池多物理場仿真的標準化體系，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）：未勢能源自主建立燃料電池多物理場仿真標準化體系
