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推荐 | 基于Modelica和CFD 的能源供给系统建模与联合仿真

 

 

项目背景
        柏林大学Manuel Ljubijankic教授等人联合TLK热电企业(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DymolaApp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 CFDApp搭建太阳能热水器系统模型,并在TISC仿真环境中进行了App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App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 的重要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

 

 

 

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