复杂工况CAE仿真-挑战隔膜式压缩机流固热耦合计算难题
导读：隔膜式压缩机整机的流固热耦合计算，属于比较复杂的CAE仿真。仿真模型中工程特性的定义和处理较多，流场网格变形比较极端，结构需要考虑装配预紧和定位等因素，都对软件的实用性带来挑战。
在上期文章《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》和直播回放，我详细介绍了用于压缩机整机耦合计算的流场模型、结构模型如何建立和关键物理定义，并进行了操作演示。在这期文章中，主要讲解多场耦合计算相关内容。
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感兴趣的用户可报名2月13日20时，我在仿真秀直播间做《隔膜式压缩机整机建模和流固热耦合计算（下）》讲座，我将详解讲解以下内容，并与用户讨论和提供答疑等。首先，采用耦合计算软件，读取流场模型、结构模型进行预处理和耦合计算初始化。这部分操作主要随着软件的引导菜单，就可以很快完成。包括上期直播提到的进气阀、排气阀、曲柄连杆机构运动参数、随动阀以及排油阀等压缩机相关性能参数，都在这阶段完成。之后进行耦合计算，软件提供了单步调试模式、自动多步计算等方式提交计算任务。在计算阶段，主要讲解例如时间步长、迭代次数、松弛因子、structure jump等计算收敛性、效率表现的各种控制参数。最后，我会谈谈这个demo模型计算了两个周期得到的各种计算结果。
一、耦合计算提交
使用软件的引导菜单，可快速完成耦合相关的定义。注：所谓耦合相关的定义，是指一般在流场模型、结构模型不涉及，但耦合计算必然存在的定义。
耦合界面相关算法设置
在上图中，Meshes at Interfaces指的是流场、结构的流固耦合界面是对应的，但二者网格划分没有任何关系，因此选择arbitrary meshes。此外，选择Thermal FSI，即流固耦合界面，存在热交互。松弛因子，选择薄膜流固耦合计算推荐的数值，即位移松弛因子很大，力松弛因子较小。其它参数缺省。
流场控制
在上图中，Flow solver以及Dynamic Mesh由于没有选择overwrite，则表示耦合软件不会修改原流场模型的相关定义。Initial field conditions是计算必须指定的，这里面初始压力指定为8MPa。因进气压力为11Mpa，所以模型开始计算的第一步，进气阀会开启，外部气体将进入气腔。耦合界面编号IDs of boundaries for FSI是必须输入的，当前模型存在四个耦合边界，在fluent中的编号分别是9 10 19 20。
在上图中，因压缩机模型中由各种工程特性定义，因此选择Options for model，从中可以找到suck valve、exhaust valve的设置页面，分别指定进气压力11MPa，进气温度300K，排气压力35MPa。
在上图中，流场边界27为溢油阀边界，开启压力为40MPa。Math-cylinder cell zone是曲柄连杆机构参数，周期为0.12s，行程为180mm，关于其它参数的物理意义也极为重要，我会在2月13日的直播中进行讲解。Accompanying inject为随动阀参数。
结构模型控制
由于结构模型采用adina求解（我后期会提供这个算例的abaqus结构模型，也会公开在仿真秀），这里可以看到结构模型的关键设置。这里面时间积分可选择newmark，迭代次数55次。用于结构耦合界面的编号是必须指定的，adina中采用的是face set编号，和流场中输入顺序保持对应，分别是6 10 21 23。时间步长可采用真实的步长（相当于每周期计算200步）。
经过上述关键操作，耦合软件已完成耦合计算的设置和初始化，接下来可进行计算。
二、流固热耦合计算
单步调试（左）--自动多步计算（右）
软件提供的单步调试计算，是可以多次apply提交的，可灵活用于模型调试。自动计算模式与其它软件的方式类似，一次提交，计算多步。
Monitor页面计算监控
在调试和自动计算时，可在monitor界面观察各种物理量和指标变化，用于计算收敛性和效率控制。
Monitor最右侧两个曲线，是流场计算输出的气腔体积、排气阀质量流率的曲线，也可以在PERA SIM Multiphysics中进行动态监测。
三、计算结果
当前算例计算了460步，包含两个完整周期。在下面结果中，我提取了第二个周期的结果进行说明。
3.1 流场计算结果
下止点气腔密度分布（左） 上止点气腔密度分布（右）
下止点气腔温度分布（左）上止点气腔温度分布（右）
第二个周期压缩机气腔v-p图
3.2 结构计算结果
下止点配气盘等效应力分布（左） 上止点配气盘等效应力分布（右）
下止点气侧膜片应力分布（左）上止点气侧膜片应力分布（右）
下止点气侧膜片温度分布（左） 上止点气侧膜片温度分布（右）
下止点配油盘应力分布（左） 上止点配油盘应力分布（右）
注：由于缸盖、缸体模型进行了简化，结构刚度远远低于真实刚度，在结构模型中这二者的材料弹性模型数值高于真实材料，因此结构应力较高。三层膜片采用真实材料，其等效应力是准确的。
四、隔膜式压缩机流固热耦合计算讲座
更多其它后处理以及结果，欢迎大家来直播间交流，多物理跃迁老师会在《隔膜式压缩机整机建模和流固热耦合计算（下）》直播中就大家关心的问题进行讲解。
上一期直播《隔膜式压缩机整机建模和流固热耦合计算（上）》主要介绍如何建立合理的整机耦合计算模型。2月13日20时，《隔膜式压缩机整机建模和流固热耦合计算（下）》讲座，仿真秀将邀请多物理跃迁老师展示所建立的模型，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。欢迎大家收藏，分享和交流。
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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（下）-仿真秀直播
总之，我们通过组织两期直播，就隔膜式压缩机的建模、流固热耦合计算进行了较为直观的讲解，同时也对业界关心的技术问题进行了讨论，希望这些内容对各位工作和学习有所帮助。目前直播中使用的软件PERA SIM Multiphysic，软件安装包已上架到仿真秀官网对应的标签栏目供用户免费下载使用。直播使用的模型文件，待直播结束后将有偿发布在仿真圈的仿真专栏下供用户下载练习。
