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基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真

1 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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第1张

2 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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第2张

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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第3张

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
基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第4张

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

3 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:

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第5张

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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第6张

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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第7张

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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第8张

一维模型仿真结果

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第9张

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。

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第10张

6:44时刻储水罐内流场与温度场

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13:00时刻储水罐内流场与温度场

基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真 - 第12张

24:00时刻储水罐内流场与温度场

4 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

本文来源:cechina。

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