推荐 | 汽车空调系统模型耦合仿真

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项目背景

        TLK热电公司的Roland Kossel和布伦瑞克工业大学热电学院的Nils Christian Strupp等人采用TISC仿真环境，实现了基于Dymola和TIL库搭建的汽车空调系统各子模型的联合仿真，并分析了耦合仿真的影响。



        如上图所示，汽车的空调系统（HVAC单元）包含5个部分：1个压缩机，1个冷凝器，1个接收器，1个膨胀装置，1个蒸发器和1个内部换热器。

        空调系统的工作原理：循环制冷剂进入压缩机后被压缩成高压，同时温度升高。之后制冷剂进入冷凝器，向环境中释放热量。在换热器内制冷剂通过向低压侧释放热量而进一步冷却。然后经过膨胀阀机构（如膨胀阀）膨胀后进入低压。制冷剂通过蒸发器后蒸发。蒸发过程中制冷剂从车厢内吸收热量从而降低了车厢内的温度。最后在换热器的低压端，制冷剂过热后重新进入压缩机内。


项目方案

        使用TIL库和Dymola搭建的汽车制冷循环闭环系统，并运行仿真。将原有闭环系统拆分成子模块，基于TISC做子模块之间的耦合仿真，并对比分析两种仿真方式的特点。

        建立R134a蒸发循环系统，首先进行各元件建模。冷凝器是一个带有制冷剂流道的扁平管换热器。4条流道均被分成5个控制体积，由于接收器被集成到冷凝器之中，该元件也叫做冷凝接收器，如下图所示。蒸发器模型搭建类似，分为两层，每层有3个通道。每个通道分隔为5个腔室。


冷凝器结构示意图

        换热器模型是一段管路，在管路换热器中每段管路由5个腔室，如下图所示。



        压缩机模型时一个拟定常模型，由3个效率方程用来描述压缩机的效率：公称容积效率、有效熵效率和等熵压缩机效率。

        等熵膨胀阀采用伯努利方程公式建模，该方程适用于用于可压缩和不可压缩的流体。

        下图展示了闭环制冷循环结构，4种颜色表示了4个耦合模型：压缩机，冷凝接收器及换热器的高压侧，膨胀阀，蒸发器及换热器的低压侧。


闭环制冷循环结构

        换热器拆分后的接口如下图所示：电阻的设置是为了延长系统的时间常数，电容是为了认为制造温度状态。


换热器接口结构


实施效果

        单独的Dymola模型仿真和基于TISC的拆分后的Dymola子模型联合仿真结果对比。

● 计算时间对比
    ◆ 在模型完成初始化之后，如果选用了合适的求解算法，联合仿真的计算速度有明显优势，会超过闭环仿真的速度。

    ◆ 实验过程中还发现交互步长的设置对仿真时间影响很大。

    ◆ 联合仿真对于不同初始值的设置有更可靠的计算，这也可以从一定程度上节省模型开发的时间。



● 计算结果对比
        闭环仿真和耦合仿真的结果是一致的，与实验测量数据存在一定误差。这说明同一模型拆分后进行仿真，并不影响计算精度。



项目价值

● 将基于Modelica的闭环系统模型拆分后，利用TISC进行联合仿真的方法是可行的
● 复杂系统模型拆分后进行分布式耦合仿真可以提高仿真效率，缩短仿真时间。另一方面并不影响仿真精度

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