首先從壓氣機的裝配模型中提取流體域，包括所有的進出口以及真實的閥片幾何形狀，如圖2所示。

對于非運動部件區域，使用Simerics二叉樹網格生成器創建了一個非結構化的三維六面體笛卡爾網格。下面將進一步介紹出口閥，吸入閥和活塞室的動網格設置。

排氣閥網格通過Simerics專有的閥模板網格創建。模板生成一個考慮閥門可能運動路徑的結構網格，在模擬過程中適當地對網格進行變形以適應閥門的運動，如圖4所示。

往復式壓縮機運行過程中，由于吸入閥打開進入壓縮室，吸入閥和活塞頭的掃掠體積會重疊，需要在Simerics中實施網格變形算法。分別創建閥門和壓縮腔室的初始網格，并使用隱式網格界面連接。在壓縮機的運行過程中，活塞的運動是確定的，但閥門運動是由壓縮機動態決定。為了保證精確捕捉兩種運動，定義了兩個網格變形區域。如圖5所示:用Zone1變形捕捉閥運動，而Zone 2變形捕捉活塞運動。兩個區域用黃線區分，在模擬過程中根據吸入閥與活塞的分離情況自動更新其分離位置。

吸入簧 片閥如圖6所示:它由一塊薄金屬片制成，一端固定，另一端自由。該閥門將在流體作用下彎曲，為流體流動創建開口。由于簧 片閥與活塞壓縮機的強耦合性，且簧 片閥的轉動慣量小，因此簧 片閥與活塞壓縮機的耦合成為一個非常棘手的剛性流固耦合系統。本方案中吸排氣閥被建模為剛性簧 片閥，采用等效剛體旋轉實現閥的彎曲運動。

閥門的動力學問題使用以下常微分方程求解：

Θ是由閥門關閉位置起的閥門開啟角度，I是轉動慣量，C是旋轉摩擦力，k是扭轉彈簧系數，τ是流體力扭矩，t是時間。

本案例為Tecumseh公司的工業往復式活塞壓縮機，以論證前面章節所述方法的可行性。利用制冷劑R134a的真實氣體特性進行了模擬，R134a的所有特性：密度、粘度、熱容量和電導率都被認為是壓力和溫度的函數。

設定活塞的運動方程為：

式中r1是曲柄偏心長度，r2連桿長度，e是偏心直徑，活塞的轉速是ω，設定為每分鐘3600轉。模型邊界條件設置如圖7所示。

對壓縮機進行瞬態仿真，通過吸排氣閥的兩個截面，得到不同曲柄角下壓縮機內部壓力如圖8所示。從圖中可以看出，在0?，活塞處于下止點中心，吸氣閥處于微開狀態(即將關閉)，排氣閥處于關閉狀態。在接近上止點165?，壓縮腔室處于高壓狀態，排氣閥開啟。當活塞在270?和300?完成吸氣行程過程中，室內壓力下降，吸氣閥打開。壓縮機內部的溫度如圖9所示?？梢钥闯?，隨著活塞越靠近上止點，腔內溫度升高，但在吸氣沖程中溫度保持較低狀態。

壓縮機P-V圖如圖10所示。同時也給出了過壓和欠壓狀態的吸排氣壓力。欠壓區和過壓區分別代表吸排氣過程中消耗的能量，用P-V圖可以求出壓縮機的效率和功率消耗。在活塞上止點處，活塞和氣缸蓋之間的間隙為100微米，這個小的中止體積反映在P-V圖上。

圖11繪制了模型預測的吸、排氣閥開度隨腔體體積的變化。可以看出，結果在循環中是周期性的，排氣閥在循環中壓縮半段的最后30度左右打開，在吸入沖程開始時關閉。在吸氣行程中，吸氣閥在上止點后約40度左右開啟。吸氣閥在吸入沖程中呈現出閥門顫振，并在壓縮沖程中30度以后關閉。一般情況下，可以看到，由于固定器的存在，排氣閥的運動具有剛性，這使得它的開啟度小于吸氣閥，關閉也更快。吸氣閥有一個較低的剛度，因此可以有更高的開啟，也表現出一個緩慢的閥振蕩。

圖12為吸排氣流量，正如預期的那樣，流量與閥門開度角非常吻合，排氣流量以尖峰的形式出現，而吸氣流量沿吸入沖程分布更加均勻。另一個需要注意的重點是，當閥門關閉時，流量為零，因為Simerics能夠使閥門完全關閉，當動力學預測閥門完全關閉時，模型中閥門和閥座之間的間隙基本上為零。

本文提出了一種新的往復活塞壓縮機三維CFD瞬態仿真方法，可以用于指導工業設計。

1. 壓縮機的模擬包括壓縮腔與吸排氣閥的全耦合FSI模擬，不因簡化而結果失真；

2. 采用閥模板網格對進排氣閥進行網格劃分，采用網格變形算法解決吸氣閥、活塞掃掠體積干擾問題；

3. 所開發的方法在一個工業Tecumseh往復壓縮機上進行了驗證，仿真結果和預測的閥門運動合理；

4. 基于模板建模，易于使用，仿真周期快，使其成為設計和分析往復式活塞壓縮機系統的有力工具。

文章來源：合工仿真