推荐 | 基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真

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项目背景
        柏林大学Manuel Ljubijankic教授等人联合TLK热电公司（TISC厂商），采用TISC仿真环境，实现一、三维热流体模型的联合仿真，并对仿真结果作了分析。



项目方案
        为了更好对比仿真结果，在搭建一、三维流体模型之前，首先只采用Dymola软件搭建太阳能热水器系统模型。



一维系统模型架构如右图所示：管路长度设置精确到1m，储水罐在划分成10个水平温度区域。


        基于Dymola热流体库和ANSYS CFD软件搭建太阳能热水器系统模型，并在TISC仿真环境中进行了软件联合仿真。



三维储水罐模型建模要求：
•  合理的离散精度
•  合适的运算速度
•  合适的接口位置，接口位置选在流动状态稳定的点，储水罐连接管路长度0.275m



一三维联仿时的Dymola模型，除了储水罐模型，其余系统模型复用


实施效果

        单独的Dymola模型仿真和基于TISC的Dymola和Fluent的联合仿真结果对比

•  计算时间对比
        一维Dymola模型仿真用的软件版本是Dymola7.4，采用Dassl求解器，容许误差是1e-4，计算一天的温度变化，时间是几十秒钟。
耦合后的一三维模型，计算时间大约为仿真时间的两倍，总时间大约为50小时，电脑配置8个核，主频率2.8GHz，32GM内存，操作系统为Linux 11.2。联仿时 ANSYS CFD模型采用4核并行仿真，Dymola模型采用单核仿真，同步时间为1s。

•  仿真结果对比
        在中午时的总辐射功率超过800W/m^2。两种仿真方式均基于下图功率曲线：



太阳能收集器的吸热功率、散热功率和总功率的曲线图



        两种方式仿真出的结果曲线整体趋势是一致的。耦合三维模型后的结果曲线变化更加剧烈。产生这种差别的最重要的原因是一维模型中不存在动量，并且将空间模型转化为一个整体尺寸。



太阳能收集器的进口、出口及周围环境温度的曲线变化


        同样的,一维模型和一三维耦合模型的结果大致相同，差别出现在下午16时之后，太阳辐射强度显著下降，两种仿真方式下的控制器行为差别明显。



控制器的开关特性引起的泵的流量曲线


        下面两张图是连接储水罐的进口管路和出口管路温度曲线，以及储水罐内10个水平面的温度曲线。
      
        观察日落之后的入口温度，发现一个有趣的现象：一维模型的温度有明显下降，而三维模型的入口温度只有很小的斜度。产生这种差别的原因是三维模型包含了自然对流。连接管路的热损失受到了储水罐的整体热损失的影响。储水罐上层与连接管路发生的热对流补偿了管路的热损失。



一维模型仿真结果



一三维耦合仿真结果


        下图是CFD模型计算的储水罐在三个时刻（6:44,13:00,24:00）时垂直切面的流场和温度场。



6:44时刻储水罐内流场与温度场



13:00时刻储水罐内流场与温度场



24:00时刻储水罐内流场与温度场


•  总结
    ◆  同样边界条件下，两种仿真方式的仿真结果趋势一致
    ◆ 在早晨和傍晚时刻，温度受流量开关特性的影响是显而易见
    ◆  三维的储水罐模型表现出更加复杂的行为
    ◆  如果储存的热能量发生变化或者流入的质量流在0—最大流量之间切换时，三维模型表现出即时响应，这是由于CFD运算中包含动量传递和自然对流


项目价值

•  利用太阳能热水器的案例说明了一三维模型联合仿真的方法
•  两种仿真方式的对比结果相似的，证明仿真方式可行
•  通过单独部件的三维建模和一维模型联合仿真，可以开展部件详细设计研究。本文中详细的三维储水罐模型全面考虑周围环境后，允许更加详细的问题分析，如优化温度传感器的安装位置或研究自然对流现象
•  充分离散后的三维储水罐模型在现代计算机上要求计算时间大约是仿真时间的两倍