FLUENT压缩空气罐充气过程模拟
之前笔者做了一个压缩空气罐排放过程模拟的案例（可以点击文末“阅读原文”查看），今天我们继续以该几何模型做一个压缩空气罐充气的过程模拟。 建立一个外径1m，高度1m的压缩空气罐，内部空气初始压力0Pa（表压），温度298.15K（25℃）。顶部正中间有一个直径10mm的充气孔，空气从充气孔进入气罐，相当于空气的压缩过程，不考虑壁面的热损失，则近似为绝热压缩。几何模型可以简化为二维轴对称模型，如下图，对充气孔位置的网格进行细化处理。 打开二维轴对称模型Axisymmetric，我们考察的是封闭空间空气的压缩过程，因此必须要用瞬态求解器。
空气的密度采用理想气体模型，这一个设置很重要，决定了气罐内部的空气参数采用理想气体方程Pv=nRT来求解，其他的物性采用默认设置。 采用理想气体模型，能量方程会自动打开，因为要求解温度。 采用SST k-ω湍流模型，考虑压缩效应，其他设置采用默认值。 充气孔边界设置为速度入口边界，速度50m/s，温度298.15K（25℃）。 为了对充气过程进行实时监测，我们设置3个监视器，分别监视气罐内的平均压力和平均温度，以及空气实时压缩功率，其中实时压缩功率根据N=PQ自定义函数计算，Q为充气孔的体积流量（m3/s），P为充气孔的表压（Pa）。 初始化，注意将初始压力设置成0Pa，初始温度25℃。 设置迭代时间步长1s，开始迭代计算，迭代残差按默认设置即可。 我们看一下迭代残差曲线，除了连续性方程，其他收敛性较好。
气罐内的平均温度随时间变化曲线如下，可以看出温度先上升后呈现一定的下降趋势，这与充气口设定为恒温恒速入口有很大关系，这类似于一个等温压缩的空压机的排气口，压力升高了，密度升高了，而速度维持不变，因此质量流量在增加。罐内空气被压缩升温的同时，也与进来的低温空气混合了。当充气时间达到131s时，罐内平均温度达到30.51℃ 再看一下气罐内的平均压力随时间变化曲线，压力在前期上升较快，后期上升减慢。可以从理想气体状态方程PV=nRT来理解，容器体积V不变，气体的物质的量n增加，当温度T下降时，P上升的势头被拉下来了。当充气时间达到131s时，气罐的平均压力为10624.35Pa。 最后看一下充气孔的压缩功率曲线，变化趋势与压力一致，可以从功率计算公式N=PQ来解释，体积流量Q不变，因此功率N与压力变化趋势一致。当充气时间达到131s时，瞬时功率为41.68W。 最后，我们将FLUENT计算结果与理论公式进行对比。根据气罐的初始压力和终了压力，可知压缩比为1.10474，根据绝热压缩公式，可计算罐内终了温度为33.64℃，高于FLUENT计算结果约9%，可参考前文关于罐内温度变化趋势的解释。根据绝热压缩公式，可计算t=131s时，瞬时功率为39.4W，FLUENT计算结果略高了5.7%。另外，可以对瞬时功率变化曲线进行积分求和，得到131s内，空气压缩消耗的功为4584J，约0.001273度电。 
