摘 要文章針對某款氫燃料電池空壓機建立二維模型，然后導(dǎo)入ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分，再利用Fluent 18.0軟件，基于標準k-ε模型，采用SIMPLEC算法對其內(nèi)部流場進行數(shù)值模擬，并分析了空壓機內(nèi)部流動現(xiàn)象和規(guī)律，最后與參考文獻結(jié)果進行比較，驗證了空壓機仿真的準確性。

引 言

氫燃料電池空壓機是汽車用燃料電池氣體供應(yīng)系統(tǒng)的重要組成部件，它可以使進入燃料電池電堆的空氣壓力增大，從而提高燃料電池的做功能力，縮小燃料電池系統(tǒng)的體積。氫燃料電池空壓機具有穩(wěn)定性好、使用壽命長、排氣無油、噪音低、輕量化、小型化等優(yōu)點，目前在汽車領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)值模擬有很多優(yōu)勢，比如運算速度快、效率高、成本低廉等，由于計算機運算能力的迅猛提升和商業(yè)化CFD軟件的日益完善，數(shù)值模擬方法在空壓機的研究和開發(fā)中得到了廣泛的運用。張岳等利用Fluent軟件對離心壓縮機整體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行了數(shù)值模擬和流場分析，驗證了壓縮機數(shù)值計算的精度；趙斌等利用Fluent軟件對離心式空壓機葉輪內(nèi)部的流場進行數(shù)值模擬，揭示出了葉輪內(nèi)部流場的絕對速度分布、靜壓力分布以及雷諾數(shù)分布等情況；魏國紅等運用Fluent軟件對某一離心式壓縮機的第一級葉輪的內(nèi)部流場進行了數(shù)值仿真，分析出葉輪內(nèi)部流場的速度變化、壓力變化等情況。本文通過Fluent軟件對氫燃料電池空壓機內(nèi)部流場進行了模擬仿真。首先建立空壓機的二維模型，然后進行網(wǎng)格劃分，定義求解控制參數(shù)，得出模型內(nèi)部流場的壓力、速度云圖等數(shù)據(jù)并進行分析，最后與參考文獻結(jié)果進行比較分析并得出結(jié)論。

1、建立模型

在ICEM CFD軟件中建立空壓機的二維模型，然后將模型劃分為多個區(qū)域，其中區(qū)域一為隨葉輪一起轉(zhuǎn)動的流體區(qū)域，區(qū)域二為蝸殼內(nèi)不轉(zhuǎn)動的流體區(qū)域，區(qū)域三為固定軸區(qū)域，如圖1所示。其中，出口壓力與進口壓力之比是1.422，進口的流量是3.896 m3/min，電機的轉(zhuǎn)速是4 200 rad/s，流體介質(zhì)是空氣。進口的寬度和出口的寬度分別是30 mm和15 mm，進口的直徑和出口的直徑分別是100 mm和300 mm，葉片的數(shù)量是8個。

圖1 空壓機二維模型

2、劃分網(wǎng)格

利用ICEM CFD軟件對建立的空壓機二維模型進行網(wǎng)格劃分，如圖2所示。

全局網(wǎng)格設(shè)定中，比例因子設(shè)定為1，最大網(wǎng)格尺寸為0.005。網(wǎng)格類型選擇方面，區(qū)域二采用All Tri（三角形）結(jié)構(gòu)，區(qū)域一和區(qū)域三采用Quad Dominant（網(wǎng)格單元基本上都是四邊形結(jié)構(gòu)，只有一小部分是三角形結(jié)構(gòu)）結(jié)構(gòu)。生成的總網(wǎng)格數(shù)為704 087，面數(shù)為1 136 516，節(jié)點數(shù)為432 414，見表1。

圖2 模型網(wǎng)格劃分示意圖

表1 劃分完成的網(wǎng)格信息

3、求解設(shè)置

在fluent軟件中打開劃分完成的msh格式的文件，然后進行計算設(shè)置。首先通過檢查網(wǎng)格尺寸的信息可以看出網(wǎng)格的最小體積和最小面積都不是負數(shù)，符合要求，見表2。

表2 網(wǎng)格尺寸信息Solver Type選擇Pressure-based；Time選擇Transient；Velocity Formulation選擇Absolute；2D Space選擇Planar；選擇Gravity，設(shè)置Y方向重力加速度為－9.81 m/s2；Viscous Model選擇標準k-ε模型，模型的參數(shù)均使用默認參數(shù)。控制方程如下：由于葉輪內(nèi)部的氣體是與葉輪同步轉(zhuǎn)動的，在考慮粘性假設(shè)的情況下，連續(xù)性方程以及動量方程見下式：

（1）式中，p為壓強；μe為有效粘性系數(shù)；ρ為流體密度；xj為各坐標分量；uj為平均相對速度分量；ωj為角速度；εijk為張量。采用標準k-ε模型，得出μt如下：

 （2）k和ε的方程為：

 （3）式中，pk為湍動能k的生成項，由下式確定：

 （4）其中Cu、σk、σε、C1和C2為五個可調(diào)整的常數(shù)，它們的值分別為Cu=0.09，σk =1.0，σε=1.3，C1=1.44，C2=1.92。（1）設(shè)置材料屬性流體介質(zhì)為空氣（air）。（2）設(shè)置邊界條件進口邊界條件：mass-flow-inlet:0.08 kg/s；速度方向：沿葉輪軸方向進氣；出口邊界條件：靜壓145 000 Pa；壁面邊界條件：轉(zhuǎn)動壁面，輸入轉(zhuǎn)速4 200 rad/s；靜止壁面，輸入轉(zhuǎn)速0；初始進口壓力：101 100 Pa。（3）選擇求解控制參數(shù)速度與壓力耦合方式采用SIMPLEC，動量、湍動能以及耗散率全部采用二階迎風(fēng)格式。（4）計算初始化并設(shè)置監(jiān)視器殘差監(jiān)視器采用初始設(shè)置，先進行流場的初始化，然后進行迭代運算，由圖3可以看出，隨著迭代次數(shù)的增加殘差值呈現(xiàn)出越來越小的現(xiàn)象，收斂結(jié)果在迭代次數(shù)在2 000次左右時得出。

圖3 計算2 000次后的全局殘差曲線

4、結(jié)果顯示及分析

通過File→Read→Case&Date命令，讀入計算完成任意時刻的Case和Date文件。選擇Results→ Graphics命令，分別查看Contours和Vectors選項，得到如下的云圖和矢量圖。

圖4 靜壓云圖由圖4靜壓云圖可以看出，從入口到葉輪轉(zhuǎn)動區(qū)域，再到擴壓器、蝸殼區(qū)域內(nèi)空氣的流通比較均勻順暢，其中葉輪轉(zhuǎn)動區(qū)域靜壓分布不均勻，上部靜壓較小，在底部葉輪出口位置靜壓達到最大值，進入擴壓器后壓力保持較大，最后蝸殼出口區(qū)域靜壓較小。

圖5 全壓云圖由圖5全壓云圖可以看出，由于隨著葉輪的轉(zhuǎn)動，對周圍空氣不斷做功，再加上重力作用的影響，所以此區(qū)域靜壓值呈現(xiàn)出由上而下逐漸增大的現(xiàn)象，在最底部的葉輪出口處靜壓達到最大，然后隨著氣體進入擴壓器、蝸殼流動區(qū)域越來越大，總壓力開始降低?？傮w來說整個流道內(nèi)氣體流動還是比較順暢的。由圖6速度矢量圖可以看出，由于葉輪帶動空氣高速旋轉(zhuǎn)，因此在葉輪轉(zhuǎn)動的區(qū)域內(nèi)氣流速度較快，再加上重力的影響，下半部分氣流達到最大值，隨著氣流進入擴壓器、蝸殼后流通區(qū)域擴大，速度降低，最后在蝸殼出口處由于空間變狹窄速度再次提高。

圖6 速度矢量圖

5 、計算與參考文獻結(jié)果比較

數(shù)值計算和查詢參考文獻得到的參數(shù)如表3所示，可以看出不管是壓比還是多變效率，計算值和參考文獻值的誤差都在3%以內(nèi)，這說明數(shù)值模擬的結(jié)果真實有效的反映了空壓機內(nèi)部流場的流動情況。

表3 計算值與試驗值結(jié)果比較

6、結(jié)論

以Fluent 18.0軟件為仿真平臺，利用計算流體動力學(xué)的方法對某一氫燃料電池空壓機的內(nèi)部流場進行了數(shù)值模擬，得到了不同時刻的壓力分布及速度分布情況。通過分析揭示了空壓機內(nèi)部流動現(xiàn)象和規(guī)律，最后通過和試驗數(shù)據(jù)進行比較，壓比和多變效率方面，數(shù)值模擬結(jié)果和參考文獻結(jié)果誤差都在3%以內(nèi)，說明仿真結(jié)果真實的反映了空壓機內(nèi)部的流動情況，從而為提高空壓機的性能提供理論依據(jù)。