CONVERGE助力活塞泵仿真分析
在我大学一年级的时候，我迷上了科幻小说，尤其是涉及“时间旅行”这一子类型的作品。有一次，我阅读到这样一个故事：一名20世纪的护士穿越到16世纪，用一条毒蛇的空心毒牙制作出现代注射器，从而挽救了许多士兵的生命。虽然现代皮下注射针头直到19世纪50年代才被发明，但最早的“注射器”（不一定是皮下注射）却是在1650年基于帕斯卡定律诞生的。该定律指出，在密闭流体中，任何一点施加的压力都会无损失地传递到整个流体。
后来，我又了解到现代文明中另一个同样基于帕斯卡定律、也在悄然改变世界的关键装置。这就是活塞泵。它是一种往复泵，靠活塞的往复运动形成腔室：当泵体扩张时，腔室通过阀门吸入流体；当泵体压缩时，腔室通过另一阀门排出流体。注射器的推杆、洗手液按压头、水井手压泵、自行车打气筒……它们都遵循同一原理。由于结构简单，活塞泵已成为油气工业不可或缺的核心设备，主要用于在开采与加工环节中以高压输送各类流体。作为“正排量”装置，它能产生极高压力，且适用流体范围极广，因此在油气领域备受青睐：水力压裂、酸化、钻井泥浆循环、缓蚀剂化学注入、流动保障、井口作业服务以及管道与处理厂的高压输运等作业，都离不开它的身影。
CONVERGE活塞泵速度场仿真结果
鉴于活塞泵在工业中的关键地位，找到合适的仿真工具可为这些“无处不在”的装置的设计与优化提供宝贵洞见。然而，活塞泵的数值模拟向来颇具挑战：活塞与阀片的高速往复带来复杂动边界，微小的阀片动力学又与宏观流场紧密耦合；更棘手的是空化——当局部压力低于液体饱和蒸汽压时，微小气泡成核、生长并瞬间溃灭，产生冲击波，诱发振动、剥蚀机件并持续降低效率。
CONVERGE正是针对此类难题而生的 CFD 利器。其求解器在每个时间步自动生成贴体网格，彻底省去繁琐的动网格建模；自适应网格加密（AMR）可在阀隙、活塞环等关键区域动态提高分辨率，却不显著增加整体计算量。流固耦合（FSI）模型可同步追踪活塞、阀片与流体的相互作用，精确预测压力脉动与流量曲线。此外，CONVERGE 内置多种空化模型与多相流算法，可捕捉气泡生成、溃灭及由此导致的压力尖峰，为寿命评估与降噪设计提供依据。
CONVERGE 案例研究
在本案例中，我们针对一台带平板阀（plate valve）的活塞泵进行瞬态仿真，并与实验数据¹对比验证。几何如图²所示，工作介质为水；柱塞的往复运动直接驱动流体。当柱塞到达下止点，泵进入吸液冲程；到达上止点则切换为排液冲程。
基于CONVERGE的双板阀活塞泵的系统级仿真研究
CONVERGE的流固耦合（FSI）模型完整捕捉了流体与板阀、泵腔、吸/排管路之间的动态耦合关系。采用双向耦合 FSI 方法，求解阀片在“流体载荷 + 吸入压力”与“弹簧力”平衡下的刚体运动。本研究将阀片简化为 1 自由度（1DOF）FSI 对象，仅允许沿 x 轴平移。FSI-spring 功能在固定壁面与刚性 FSI 对象（阀片）之间引入线性弹簧力，用户可指定刚度、阻尼、自由长度及预紧力，从而近似模拟真实螺旋弹簧特性。
其它关键模型与算法设置如下：
- 湍流模型：RNG k-ε 模型，有效处理泵内高雷诺数湍流。
- 空化模型：采用homogenous relaxation model（HRM模型），通过可调的凝结/蒸发时间尺度系数，描述液-汽两相质量交换向平衡态的松弛速率，准确预测质量流量与出口排量。
- 网格自适应：基于速度和孔隙率的 AMR 在阀隙、活塞顶等梯度剧烈区域动态加密；同时在阀片与活塞冠周围施加固定加密，保证局部精细解析，而其余区域保持粗网格以节省计算资源。
- 压力-速度耦合：采用 PISO（Pressure Implicit Splitting of Operators）迭代算法，循环求解直至满足用户设定的 PISO容差，确保可压缩流场中的压力-速度一致性。
结果验证表明，仿真得到的阀片升程与实验数据¹吻合良好；同时准确预测了泵的容积排量及可压缩性效应，为后续优化设计提供了可靠依据。
CONVERGE预测了吸液阀与排液阀的升程曲线，其中吸液阀升程已与实验数据¹完成对比验证，吻合良好。
行业影响
正如那支“脑洞大开”的毒蛇牙齿注射器一样，基于同一帕斯卡定律的活塞泵已成为现代工业不可或缺的“生命线”。结构简单却威力巨大的往复容积式原理，使其在油气领域扛起高压输送、化学注入、水力压裂等关键任务，即便面对多相流、空化等棘手难题仍游刃有余。本研究借助 CONVERGE 的 FSI 与多相流耦合技术，首次在仿真中同步解析“流体-阀片-弹簧”双向耦合与液-汽两相流动，为往复泵的阀隙空化、容积效率及压力脉动提供高保真预测。此类高级仿真将持续推动活塞泵设计向更高效、更可靠、更长寿命的方向迭代，让这项诞生于 17 世纪的经典技术，在 21 世纪的极端工况下依旧稳操胜券。
参考文献
[1] Anciger, D., “Numerische Simulation der Fluid-Struktur-Interaktion fluidgesteuerter Ventile in oszillierenden Verdrängerpumpen.” Ph.D. thesis, Technische Universität München, Munich, Germany, 2012.
[2] Deimel, C., et al. “Numerical 3D Simulation of the Fluid-Actuated Valve Motion in a Positive Displacement Pump with Resolution of the Cavitation-Induced Shock Dynamics.”Eighth International Conference on Computational Fluid Dynamics (ICCFD8), ICCFD8-2014-0433, Chengdu, China, July 14-18, 2014. DOI: 10.13140/2.1.3443.2326
