32亿起跳-开启高速增长！探秘隔膜压缩机建模与流固热耦合仿真
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一、氢能产业助推隔膜式压缩机更大发展
（6）科研用途，包括处理稀有或高价值气体等行业和场景
随着全球对清洁能源的需求日益增长，氢能产业迎来了快速发展的机遇期，氢气压缩机行业的发展速度也随之加快。在氢气压缩机领域，其种类繁多，按照工作原理的不同，可细分为隔膜压缩机、离子液体压缩机、电化学压缩机、金属氢化物压缩机以及液驱压缩机等多种类型。其中，隔膜压缩机和液驱压缩机是氢气压缩机的代表产品，并且隔膜压缩机在市场中占据着重要的地位，市场占有率接近六成。
2023年7月，国家标准委、国家发改委、工信部等六部门联合发布《氢能产业标准体系建设指南（2023版）》，文件明确提到要加快制定氢气压缩机、固态储氢材料等氢储运行业标准，充分发挥氢能在能源体系建设过程中的作用。未来伴随国家政策支持，我国隔膜压缩机行业发展态势将持续向好。在这一发展趋势下，隔膜压缩机凭借其自身的优势和在市场中的良好口碑，有望在未来的市场竞争中获得更多的机会，迎来更为广阔的市场前景，为推动相关产业的发展继续发挥重要作用。
通过上文的介绍，相信工程师们对隔膜式压缩机在氢能产业中的重要地位以及市场前景已有了清晰认识。接下来深入探讨隔膜式压缩机建模方法和流固热耦合计算那些事。
二、隔膜压缩机整机建模方法
隔膜式压缩机中隔膜将流体空间分隔为气腔、油腔，并承受来自气体和液压油的压力。往复运动的活塞推动油缸内的液压油流入、流出油腔，隔膜两侧的压力不断变化导致隔膜发生运动和变形，引起气腔容积变化以及压力变化。当气腔压力低于进气压力则进气阀开启向内充气，当气腔压力高于排气压力，则排气阀打开向外排出高压气体。
隔膜式压缩机整机示意图
整机流固热耦合仿真的计算模型分为结构模型、流体模型。耦合计算模型重点捕捉系统性能、效率、可靠性等关键功能，会忽略密封泄流、间隙、阀门弹性元件动作等细节。这些细节的研究，一般采用分解的细节模型进行研究。
1、结构计算模型
（5）流固耦合条件：TFSI（thermal fluid-structure interaction）边界条件
2、流场计算模型
（4）动网格：气腔动网格、油腔动网格、活塞单元动网格
3、网格划分要求
对结构、流场计算网格要求较高，尤其是流场单元划分要求做详细说明。
三、隐式流固耦合计算方法
隐式耦合计算方法，是指针对流固耦合动态响应模拟时，流场、结构、耦合附加方程的计算，都在隐式框架内进行。这种方法最大特征是，通过多次迭代获得某个时刻的流场、结构、耦合附加方程的逼近解。
相对于显式耦合计算，隐式耦合计算的主要优点是理想的精度、无条件稳定带来的高效率，因此，隐式耦合计算目前是CAE领域的主流方案。
在CAE流固耦合主流软件中，Ansys Workbench、Comsol、ADINA等都基于隐式进行耦合计算。由于整机模型对软件功能要求较多，上述通用软件的建模功能一般无法满足要求，我所展示的压缩机模型采用国内某公司开发的耦合算法PERA SIM Multiphysics进行计算。这种耦合算法，可调用主流的流场和结构求解器，采用隐式算法完成流固热三场耦合计算。
在此模型计算中，PERA SIM Multiphysics调用Fluent求解流场。
Fluent所提供的dynamic mesh中的smoothing功能可轻松处理气腔和油腔单元的容积变化，但模拟活塞单元随着曲柄连杆机构大幅度压缩和拉伸的算法，是PERA SIM Multiphysics软件提供的math-cylinder算法，这种算法的独特优点是可以同时指定与运动机构周期相关的随动阀（plunger pump）控制参数。
计算一般要求多周期计算，每个周期分为至少200个时间步。在每个周期，气腔完成一次进、排气动作，油腔完成一次补油、排油动作。
计算结果可得到v-p图、进排气量、整机效率、缸盖缸体温升与冷却效果、隔膜运动和应力（热应力和总应力）变化以及疲劳寿命等。
四、压缩机整机建模和流固热耦合计算公开课
隔膜式压缩机是一种极为精密、复杂的工业产品，在实际应用时不仅要求其具备主要设计功能，还要求具有高稳定性、高可靠性。影响膜片式压缩机工作特性的设计因素众多，设计因素与工作特性之间关系隐蔽、复杂并且这些因素之间相互影响，因此设计人员在设计过程中确定各种技术参数面临着挑战。本文主要目标是探索隔膜式压缩机整机流固热耦合计算方法，也为其它类型的压缩机仿真的建模和计算寻求更佳的、实用的解决方案。
2025年1月24日20时(周五)，多物理跃迁老师再次做客仿真秀直播间带来《隔膜式压缩机整机建模和流固热耦合计算》，欢迎研发工程师和科研工作者报名和交流。以下是直播安排
工业品研发应用：隔膜式压缩机整机建模和流固热耦合计算（上）-仿真秀直播
直播内容较多，因时间要求分为2期进行。第一期直播，我主要介绍如何建立合理的整机耦合计算模型。在第二期直播中，将展示所建立的模型，如何采用自主技术的隐式耦合算法软件，联合大家熟悉的求解工具如Fluent和adina（或abaqus、ansys mechanical）作为求解器，实现严谨、高效的耦合仿真。
