程曉敏，蔣立靖

(武漢理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北 武漢 430070)

隨著全球工業(yè)的快速發(fā)展，能源的需求量不斷增加，能源短缺問題越來越為人們所重視。太陽能以其無限再生、清潔無污染、方便的特點(diǎn)，成為現(xiàn)代生活中應(yīng)用最普遍的一種新能源，但其利用受到地理、晝夜和季節(jié)等規(guī)律性變化的影響，以及陰晴云雨等隨機(jī)因素的制約。為了保持供熱裝置穩(wěn)定不間斷地運(yùn)行，熱能的儲(chǔ)存技術(shù)日益引起人們的關(guān)注。利用相變儲(chǔ)熱材料進(jìn)行能量儲(chǔ)存是一項(xiàng)新型環(huán)保節(jié)能技術(shù)。相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)是太陽能熱利用中最重要的單元設(shè)備[1]。

對(duì)于相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)，一方面要設(shè)計(jì)相變儲(chǔ)熱裝置，另一方面要研究新型相變材料。如果利用實(shí)驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)來研究不同相變材料的傳熱性能和儲(chǔ)熱室的傳熱效率，需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力，并且不能完整地預(yù)測(cè)溫度場(chǎng)的分布情況。筆者利用ANSYS軟件[2]的二次開發(fā)功能，以VB為工具，運(yùn)用APDL語言，這對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)，建立相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)的分析系統(tǒng)，這對(duì)儲(chǔ)熱裝置的設(shè)計(jì)和材料的選擇具有重要的指導(dǎo)意義。

1 ANSYS二次開發(fā)技術(shù)

APDL是一種解釋性語言，具有一般程序語言的功能，如參數(shù)、宏、縮寫、標(biāo)量、向量及矩陣運(yùn)算、重復(fù)執(zhí)行命令、用戶程序以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等，另外還提供簡(jiǎn)單界面定制功能，可實(shí)現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機(jī)制、界面驅(qū)動(dòng)和運(yùn)行應(yīng)用程序等[3]。

APDL語言主要是將ANSYS軟件從建模、加載分析到求解的全過程參數(shù)化，并生成參數(shù)化語言，將這些參數(shù)語言寫入ANSYS軟件可以辨認(rèn)的宏文件，實(shí)現(xiàn)ANSYS的自動(dòng)分析求解。在參數(shù)化分析過程中可以簡(jiǎn)單地修改其中的參數(shù)，從而反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種設(shè)計(jì)方案或者序列性產(chǎn)品，提高分析效率[4]。

雖然ANSYS軟件帶有參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語言，但完全用APDL編寫宏的方法也存在以下不足:APDL語言較難控制程序的進(jìn)程;利用APDL雖然能夠進(jìn)行簡(jiǎn)單的界面設(shè)計(jì)，但其功能不夠強(qiáng)大，交互性差[5]。因此，有必要利用Visual Basic對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)。

Visual Basic是在BASIC語言基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它提供的可視化設(shè)計(jì)平臺(tái)將Windows界面設(shè)計(jì)的復(fù)雜性“封裝”起來，開發(fā)人員不必為界面的設(shè)計(jì)而編寫大量的程序代碼，只需按設(shè)計(jì)的要求，用系統(tǒng)提供的工具在屏幕上畫出各種對(duì)象即可[6]。借助Visual Basic前臺(tái)開發(fā)友好、方便、易用的人機(jī)交互界面，對(duì)復(fù)雜、難于理解和掌握的ANSYS命令流進(jìn)行后臺(tái)封裝，用戶只需在前臺(tái)界面的引導(dǎo)下輸入尺寸、材料性能和載荷參數(shù)，即可調(diào)用后臺(tái)的ANSYS命令進(jìn)行計(jì)算，分析計(jì)算后把計(jì)算結(jié)果返回給用戶，進(jìn)行后處理。系統(tǒng)具有較強(qiáng)的實(shí)際問題處理能力，即使從未深入學(xué)習(xí)過ANSYS軟件的工程設(shè)計(jì)人員也能較好地進(jìn)行有限元分析。

2 用戶界面開發(fā)

圖1是利用VB對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)的工作流程圖。用戶輸入基本參數(shù)和載荷參數(shù)，即可調(diào)用后臺(tái)ANSYS命令流，ANSYS會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，完成建模、加載和求解一系列過程，最后ANSYS把保存的求解結(jié)果返回給用戶，用戶可查詢最后的計(jì)算結(jié)果，再對(duì)其進(jìn)行后處理和結(jié)果分析[7]。

圖1 系統(tǒng)工作流程圖

在Visual Basic 6.0集成開發(fā)環(huán)境中，生成一個(gè)普通工程，建立8個(gè)窗體:系統(tǒng)主界面form1、基本參數(shù)設(shè)置界面form2(如圖2(a))、模型預(yù)覽圖form3、加載計(jì)算界面 form4(如圖2(b))、結(jié)果查詢界面form5(如圖2(c))、溫度場(chǎng)分布圖form6、時(shí)間歷程圖form7和路徑映射圖form8。

圖2 基本參數(shù)設(shè)置、加載計(jì)算和結(jié)果查詢界面圖

3 程序設(shè)計(jì)

將Visual Basic集成開發(fā)環(huán)境開發(fā)的ANSYS軟件程序調(diào)用的方法封裝在控件command的click事件中，并生成用APDL語言編寫的宏文件，提交ANSYS軟件程序進(jìn)行批處理操作。

3.1 ANSYS宏文件創(chuàng)建

在VB中建立ANSYS的命令流文件，并寫入相應(yīng)的APDL語句，在界面中點(diǎn)擊控件command時(shí)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)讀入命令流文件，并自動(dòng)調(diào)用ANSYS計(jì)算出用戶需要的結(jié)果，這就是利用VB對(duì)ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)的基本原理[8]。使用以下VB程序代碼來生成命令流。

Open App.Path＆" hermal.txt"For Output As#1

//在App.path文件夾下新建thermal.txt，并將APDL命令寫入thermal.txt

求解計(jì)算結(jié)束后，在 form3、form6、form7和form8窗口中添加image控件，在Private Sub Form_Load(){…}中添加以下代碼:

Image1.Picture=LoadPicture(App.Path＆" hermal00X.jpg")

//調(diào)用結(jié)果顯示圖(X=0，1，2，3)

系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將模型預(yù)覽圖、溫度分布圖、時(shí)間歷程圖和路徑映射圖分別命名為thermal000，thermal001，thermal002，thermal003，以 jpg 格式保存。

3.2 ANSYS宏文件調(diào)用

所有的ANSYS命令流編寫完成后，就用VB將ANSYS作為子程序調(diào)用。ANSYS提供的批處理運(yùn)行模式可以使ANSYS在后臺(tái)運(yùn)行，使其自動(dòng)調(diào)用已保存好的宏文件，將運(yùn)行結(jié)果輸出到OUT文件并保存到相應(yīng)的磁盤中，再將計(jì)算結(jié)果返回給VB的輸出界面，這就是所謂的封裝[9]。封裝有很多方法，筆者采用 SHELL[10]函數(shù)，調(diào)用程序的代碼如下:

其中:“ansys100.exe”中的100為 ANSYS的版本代號(hào);ANE3FL為產(chǎn)品特征代碼;-dir F:study-j exercise為ANSYS啟動(dòng)時(shí)默認(rèn)的磁盤及文件名;-b為ANSYS的批處理模式;-i F:study hermal.txt為存放輸入命令流文件的磁盤名及文件名;-o F:study hermal.out為存放輸出結(jié)果的磁盤名及文件名。

4 應(yīng)用實(shí)例

為了檢驗(yàn)該功能模塊的應(yīng)用效果，可通過一個(gè)實(shí)例應(yīng)用來示范。以鎂合金相變材料的傳熱為例，利用該系統(tǒng)對(duì)相變儲(chǔ)熱材料的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬[11]。由于高溫相變儲(chǔ)熱材料在相變溫度下會(huì)發(fā)生相變，使得相變后合金形狀不穩(wěn)定，并且在高溫下遇空氣容易被氧化，因此需要對(duì)其進(jìn)行封裝。模擬裝置是一個(gè)套管結(jié)構(gòu)，采用鋼管材質(zhì)(Cr25Ni20)對(duì)儲(chǔ)熱材料進(jìn)行封裝。設(shè)定套管外管直徑為54 mm，內(nèi)管直徑為42 mm，管長度為0.1 m。由于長徑比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1，可以認(rèn)為該裝置的傳導(dǎo)方向?yàn)檠貜较蚝洼S向，在建立模型時(shí)將問題簡(jiǎn)化為二維模型[12]。套管外利用空氣介質(zhì)傳熱給鎂合金相變材料，設(shè)定空氣的入口溫度為500℃，對(duì)流傳熱系數(shù)為7 W/(m2·K)，材料的初始溫度為400℃。溫度為400℃的鎂合金相變材料導(dǎo)熱系數(shù)為105 W/(m·K)，比熱為962.8 J/(kg·K)。

進(jìn)入查詢結(jié)果的界面form5，在“時(shí)間設(shè)置”中輸入時(shí)間，點(diǎn)擊查看溫度分布圖時(shí)，最終結(jié)果將返回到界面form6用image1控件進(jìn)行顯示，如圖3所示。

圖3 溫度分布界面圖

返回界面form5，在“時(shí)間歷程設(shè)置”中輸入中心節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值，點(diǎn)擊查看時(shí)間歷程圖時(shí)，結(jié)果用界面form7中的image1進(jìn)行顯示，如圖4所示。

圖4 中心點(diǎn)時(shí)間歷程界面圖

返回界面form5，在“路徑映射設(shè)置”中輸入兩個(gè)徑向坐標(biāo)值，點(diǎn)擊路徑映射圖時(shí)，結(jié)果用界面form8中的image1控件進(jìn)行顯示，如圖5所示。

圖5 X軸上節(jié)點(diǎn)路徑映射界面圖

其中，圖3表示經(jīng)過一段時(shí)間后內(nèi)管相變材料和外管不銹鋼的溫度分布情況，圖4表示中心節(jié)點(diǎn)的溫度隨時(shí)間的變化曲線，圖5表示經(jīng)過一段時(shí)間后X軸上節(jié)點(diǎn)溫度隨距離的變化曲線。

5 結(jié)論

(1)高溫相變儲(chǔ)熱系統(tǒng)模擬功能模塊提供了友好、直觀的前臺(tái)窗口化界面，在VB前臺(tái)界面通過輸入各種不同的參數(shù)，就能實(shí)現(xiàn)ANSYS后臺(tái)自動(dòng)模擬的功能，避免了ANSYS既費(fèi)時(shí)又繁瑣的建模求解等操作過程，較大地提高了工作效率。

(2)利用VB開發(fā)的相應(yīng)熱分析功能模塊，具有較強(qiáng)處理實(shí)際問題的能力，研究者可以直接利用其進(jìn)行溫度場(chǎng)的模擬，過程簡(jiǎn)單、快捷，降低了研究的難度。

(3)從ANSYS模擬的溫度分布圖可以看出，經(jīng)過一段時(shí)間后，封裝在套管內(nèi)的鎂合金溫度分布均勻，而鋼管的溫度呈梯度分布，表明鎂合金相變材料的傳熱速度快，作為儲(chǔ)熱介質(zhì)具有良好的應(yīng)用前景。

[1] 侯欣賓，崔海亭.高溫相變蓄熱在空間太陽能熱動(dòng)力發(fā)電系統(tǒng)的應(yīng)用[J].河北科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，22(2):1-7.

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