本發(fā)明涉及隔膜壓縮機，具體涉及一種隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)仿真方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、隔膜壓縮機是一種利用膜片將油側(cè)和氣側(cè)分離開的容積式壓縮機，其工作原理是：通過電機驅(qū)動曲軸連桿，帶動活塞進行往復(fù)運動實現(xiàn)高壓油液的增壓和泄壓，進而通過高壓油液推動膜片來實現(xiàn)氣體的壓縮和排出。隔膜壓縮機由于其密封性好、壓比大的特點，因此被廣泛應(yīng)用于氫能源行業(yè)，尤其加氫站是其重要的使用場景之一。

2、在隔膜壓縮機的研發(fā)設(shè)計過程中，由于液壓油具有可壓縮性和液壓油外泄漏，保持隔膜壓縮機腔內(nèi)液壓油質(zhì)量動態(tài)平衡是隔膜壓縮機設(shè)計階段的難題，當前的隔膜壓縮機研發(fā)設(shè)計主要通過對柱塞補油泵和溢流閥進行元件合理選型來實現(xiàn)隔膜壓縮機的正常運行。另外，隔膜壓縮機液壓油壓力和氫氣壓力是跟隨變化的，油腔內(nèi)液壓油的質(zhì)量變化直接影響隔膜壓縮機整機排氣量和安全性，在新型隔膜壓縮機機型的開發(fā)過程中，進行充分的實驗驗證不但經(jīng)濟投入大，也存在一定的風險。由于氫氣的易燃易泄漏的小分子特性使得很多關(guān)鍵參數(shù)沒有測量手段或者測量精度不高，同時在隔膜壓縮機工作過程中涉及膜片變形、氣體壓縮、液壓油壓縮、驅(qū)動機構(gòu)運動等氣液固耦合問題，僅采用理論研究或數(shù)值計算的方式難以復(fù)現(xiàn)隔膜壓縮機復(fù)雜的工作過程。當前研究者對于隔膜壓縮機三維仿真計算也無法同時計算溢流閥、柱塞泵、進氣閥、排氣閥和膜片運動這樣的多相耦合復(fù)雜問題。因此，如何對隔膜壓縮機進行性能預(yù)測和仿真計算是當前隔膜壓縮機研發(fā)難以攻克的難題。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的問題，提供一種隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)仿真方法及系統(tǒng)，填補僅采用理論研究或數(shù)值計算的方式難以復(fù)現(xiàn)隔膜壓縮機氣液固耦合復(fù)雜工作過程的缺陷，為隔膜壓縮機新機型研制開發(fā)提供新的技術(shù)支持。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明有如下的技術(shù)方案：

3、一種隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)仿真方法，包括：

4、通過實際需求歸納具體應(yīng)用場景下不同的隔膜壓縮機物理模型；

5、對隔膜壓縮機物理模型進行氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、膜片運動、輔助元件及其他傳熱傳質(zhì)元件的模塊化分區(qū)；

6、根據(jù)模塊化分區(qū)后的隔膜壓縮機物理模型，通過工程系統(tǒng)高級建模仿真平臺amesim語言進行編寫和參數(shù)設(shè)置，在amesim中實現(xiàn)隔膜壓縮機的仿真計算；

7、驗證amesim的仿真計算結(jié)果，通過對比分析，進行隔膜壓縮機物理模型的參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整，使隔膜壓縮機物理模型滿足實際工況運行情況；

8、使用滿足實際工況運行情況的隔膜壓縮機物理模型，針對仿真需求解決相關(guān)問題，并對隔膜壓縮機系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化選型設(shè)計。

9、作為一種優(yōu)選的方案，在通過實際需求歸納具體應(yīng)用場景下不同的隔膜壓縮機物理模型時，所述實際需求包括部件選型優(yōu)化設(shè)計、壓縮機故障診斷、系統(tǒng)仿真及優(yōu)化、性能預(yù)測與驗證以及超高壓新機型研發(fā)。

10、作為一種優(yōu)選的方案，所述隔膜壓縮機物理模型包括液壓缸驅(qū)動模塊、柱塞泵模塊、溢流閥模塊、進氣閥模塊、排氣閥模塊、液壓缸模塊、膜片運動模塊、氣動缸模塊和隨動閥模塊共同組成的隔膜壓縮機集成模塊，以及數(shù)據(jù)采集模塊和數(shù)據(jù)傳遞模塊；

11、液壓缸驅(qū)動模塊用于模擬隔膜壓縮機仿真曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動活塞運動的過程；

12、柱塞泵模塊和溢流閥模塊分別用于模擬隔膜壓縮機油缸進油和排油過程；

13、液壓缸模塊用于模擬隔膜壓縮機油缸液壓油的有效體積移動的過程。

14、作為一種優(yōu)選的方案，所述根據(jù)模塊化分區(qū)后的隔膜壓縮機物理模型，通過工程系統(tǒng)高級建模仿真平臺amesim語言進行編寫和參數(shù)設(shè)置，在amesim中實現(xiàn)隔膜壓縮機的仿真計算時，液壓缸驅(qū)動模塊中的活塞運動直接由曲柄連桿機構(gòu)驅(qū)動，則活塞的運動規(guī)律通過下式進行描述：

15、

16、式中：x為活塞位移；φ為曲軸轉(zhuǎn)角；r為曲軸半徑；λ為曲軸半徑r與連桿長度l之比；ν為活塞速度；ω為角速度；

17、通過將上述數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為amesim模塊化建模仿真語言，形成液壓缸驅(qū)動模塊，然后與液壓缸模塊相連。

18、作為一種優(yōu)選的方案，所述柱塞泵模塊的柱塞運動直接由曲柄連桿機構(gòu)和自身彈簧結(jié)構(gòu)驅(qū)動，但是與液壓缸驅(qū)動模塊中的活塞運動存在相位角，柱塞運動規(guī)律通過下式進行描述：

19、

20、式中：xzs為柱塞泵柱塞的位移；r為柱塞驅(qū)動偏心輪的半徑；θ為柱塞驅(qū)動偏心輪的轉(zhuǎn)角；a為柱塞泵驅(qū)動偏心輪的偏心距；vzs為柱塞泵柱塞的速度；

21、柱塞驅(qū)動偏心輪通過與曲軸旋轉(zhuǎn)的相位差進行描述：

22、

23、式中：為柱塞驅(qū)動偏心輪轉(zhuǎn)角與曲軸轉(zhuǎn)角的相位差；

24、通過將上述數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為amesim模塊化建模仿真語言，形成柱塞泵模塊，然后與液壓缸模塊相連。

25、作為一種優(yōu)選的方案，所述溢流閥模塊的瞬時流量由溢流閥開度、溢流閥兩側(cè)壓差和介質(zhì)屬性決定，通過下式進行描述：

26、

27、式中：qoil為溢流閥瞬時流量；cdf為溢流閥入口流量系數(shù)；df為溢流閥入口直徑；

28、δxf為溢流閥閥芯升程；ρ為液壓油密度；poil為腔內(nèi)油壓；ks為溢流閥彈簧剛度；δxspring為溢流閥彈簧壓縮量；pc為溢流閥閥芯內(nèi)壓力；cdb為溢流閥出口流量系數(shù)；db為溢流閥出口直徑；

29、將上述數(shù)學(xué)公式進行簡化，視溢流閥閥芯壓力為大氣壓力，則：

30、

31、通過將上述數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為amesim模塊化建模仿真語言，形成溢流閥模塊，然后與液壓缸模塊相連。

32、作為一種優(yōu)選的方案，所述進氣閥模塊和排氣閥模塊分別用于模擬隔膜壓縮機氣腔容積進氣和排氣過程，氣動缸模塊用于模擬隔膜壓縮機氣腔容積變化引起的氣體壓縮過程；

33、進氣閥模塊和排氣閥模塊中的閥芯運動通過下式進行描述：

34、

35、式中：mv為閥芯質(zhì)量；hvc為進氣閥閥芯位移；hvd為排氣閥閥芯位移；κv為通流系數(shù)；pgs為進氣管內(nèi)壓力；pg為隔膜壓縮機氣腔內(nèi)壓力；av為閥芯通流面積；kν為閥芯彈簧剛度；hν0為彈簧預(yù)壓縮量；

36、通過將上述數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)化為amesim模塊化建模仿真語言，形成進氣閥模塊和排氣閥模塊，然后與氣動缸模塊相連。

37、作為一種優(yōu)選的方案，通過模擬液壓油由柱塞泵模塊進入，由溢流閥模塊排出，在液壓缸模塊中將液壓力作用于隔膜壓縮機膜片，驅(qū)動膜片運動模塊中的膜片運動，由此實現(xiàn)隔膜壓縮機液相流動過程的建立；通過模擬氣動缸模塊內(nèi)的氣體容積在膜片運動模塊的驅(qū)動下變化，進而引起氣動缸模塊內(nèi)的氣體壓力變化以及進氣閥模塊和排氣閥模塊的運動，由此實現(xiàn)隔膜壓縮機氣相流動過程的建立；通過膜片運動模塊模擬隔膜壓縮機液相流動過程驅(qū)動氣相流動過程，由此實現(xiàn)隔膜壓縮機氣液固耦合過程的建立；

38、單指數(shù)隔膜壓縮機膜片中心最大撓度與膜腔容積的關(guān)系通過下式進行描述：

39、

40、式中：vq為膜片最大中心撓度下的半腔容積；r為膜腔半徑；w0為膜片中心最大撓度；z為膜腔指數(shù)系數(shù)；由于膜片運動引起的膜片中心撓度變化與膜腔容積變化呈線性關(guān)系，因此通過往復(fù)運動缸模型來代替膜片曲面的運動，將上述公式轉(zhuǎn)化為amesim模塊化建模仿真語言，形成膜片運動模塊，并與液壓缸模塊和氣動缸模塊相連，由此實現(xiàn)基于amesim的隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)模型的建立。

41、作為一種優(yōu)選的方案，所述隔膜壓縮機集成模塊包括一級隔膜壓縮機集成模塊和二級隔膜壓縮機集成模塊；一級隔膜壓縮機集成模塊和二級隔膜壓縮機集成模塊是兩個單級隔膜壓縮機總的元件集成，除了其中的單元節(jié)點參數(shù)設(shè)置不同外，一級隔膜壓縮機集成模塊采用溢流閥模塊，二級隔膜壓縮機集成模塊采用隨動閥模塊；

42、隨動閥模塊通過下式進行描述：

43、

44、式中：qoil,ylvalve為隨動閥流量；cdv為隨動閥出油口流量系數(shù)；df為隨動閥出口直徑；pgas,d為一級隔膜壓縮機集成模塊中的排氣壓力；

45、一級隔膜壓縮機集成模塊中的排氣壓力通過數(shù)據(jù)傳遞模塊來控制二級隔膜壓縮機集成模塊中隨動閥模型的啟閉特征，進而實現(xiàn)隨動閥模型的溢流功能；將上述公式轉(zhuǎn)化為amesim模塊化建模仿真語言，接入二級隔膜壓縮機集成模塊中，配合其他模塊，實現(xiàn)基于amesim帶隨動閥的隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)模型的建立；

46、通過將一級隔膜壓縮機集成模塊和二級隔膜壓縮機集成模塊中的輸出數(shù)據(jù)進行分析和調(diào)制，最后通過數(shù)據(jù)采集模塊輸出給需求用戶端。

47、一種隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)仿真系統(tǒng)，包括：

48、需求歸納模塊，用于通過實際需求歸納具體應(yīng)用場景下不同的隔膜壓縮機物理模型；

49、物理模型分區(qū)模塊，用于對隔膜壓縮機物理模型進行氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、膜片運動、輔助元件及其他傳熱傳質(zhì)元件的模塊化分區(qū)；

50、amesim仿真計算模塊，用于根據(jù)模塊化分區(qū)后的隔膜壓縮機物理模型，通過工程系統(tǒng)高級建模仿真平臺amesim語言進行編寫和參數(shù)設(shè)置，在amesim中實現(xiàn)隔膜壓縮機的仿真計算；

51、物理模型優(yōu)化調(diào)整模塊，用于驗證amesim的仿真計算結(jié)果，通過對比分析，進行隔膜壓縮機物理模型的參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整，使隔膜壓縮機物理模型滿足實際工況運行情況；

52、物理模型選型設(shè)計模塊，用于使用滿足實際工況運行情況的隔膜壓縮機物理模型，針對仿真需求解決相關(guān)問題，并對隔膜壓縮機系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化選型設(shè)計。

53、相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明至少具有如下的有益效果：

54、通過實際需求歸納具體應(yīng)用場景下不同的隔膜壓縮機物理模型，對得到的隔膜壓縮機物理模型進行氣路系統(tǒng)、油路系統(tǒng)、膜片運動、輔助元件及其他傳熱傳質(zhì)元件的模塊化分區(qū)，以便后續(xù)調(diào)試和仿真運行，再通過工程系統(tǒng)高級建模仿真平臺amesim語言進行編寫和參數(shù)設(shè)置，在amesim中實現(xiàn)隔膜壓縮機的仿真計算。通過對比其他可靠的數(shù)據(jù)集來驗證amesim仿真計算結(jié)果，通過對比分析，進行隔膜壓縮機物理模型的參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整，使隔膜壓縮機物理模型滿足實際工況運行情況，最后使用滿足實際工況運行情況的隔膜壓縮機物理模型，針對仿真需求解決相關(guān)問題，并對隔膜壓縮機系統(tǒng)或結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化選型設(shè)計。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)對隔膜壓縮機整機或部件、油路或氣路性能特性研究以及氣液固三相耦合仿真計算，有效解決了傳統(tǒng)方法難以復(fù)現(xiàn)隔膜壓縮機氣液固耦合過程的缺陷，仿真結(jié)果合理準確，可以用于指導(dǎo)隔膜壓縮機新機型的開發(fā)和對現(xiàn)有機型的性能評估、分析和故障診斷等多種不同具體應(yīng)用場景。本發(fā)明隔膜壓縮機系統(tǒng)氣液固耦合動力學(xué)仿真方法在實際研發(fā)設(shè)計過程中，具有良好的可操作性和可靠性，能夠用于指導(dǎo)隔膜壓縮機從業(yè)人員的設(shè)計開發(fā)工作。