項(xiàng)目背景
柏林Manuel Ljubijankic教授等人聯(lián)合TLK熱電公司(TISC廠商)，采用TISC仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一、三維熱流體模型的聯(lián)合仿真，并對(duì)仿真結(jié)果作了分析。
項(xiàng)目方案
為了更好對(duì)比仿真結(jié)果，在搭建一、三維流體模型之前，首先只采用Dymola軟件搭建太陽能熱水器系統(tǒng)模型。
一維系統(tǒng)模型架構(gòu)如右圖所示：管路長(zhǎng)度設(shè)置到1m，儲(chǔ)水罐在劃分成10個(gè)水平溫度區(qū)域。
基于Dymola熱流體庫和ANSYS CFD軟件搭建太陽能熱水器系統(tǒng)模型，并在TISC仿真環(huán)境中進(jìn)行了軟件聯(lián)合仿真。
三維儲(chǔ)水罐模型建模要求：
•合理的離散精度
•合適的運(yùn)算速度
•合適的接口位置，接口位置選在流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定的點(diǎn)，儲(chǔ)水罐連接管路長(zhǎng)度0.275m
一三維聯(lián)仿時(shí)的Dymola模型，除了儲(chǔ)水罐模型，其余系統(tǒng)模型復(fù)用
實(shí)施效果
單獨(dú)的Dymola模型仿真和基于TISC的Dymola和Fluent的聯(lián)合仿真結(jié)果對(duì)比
•計(jì)算時(shí)間對(duì)比
一維Dymola模型仿真用的軟件版本是Dymola7.4，采用Dassl求解器，容許誤差是1e-4，計(jì)算一天的溫度變化，時(shí)間是幾十秒鐘。
耦合后的一三維模型，計(jì)算時(shí)間大約為仿真時(shí)間的兩倍，總時(shí)間大約為50小時(shí)，電腦配置8個(gè)核，主頻率2.8GHz，32GM內(nèi)存，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux 11.2。聯(lián)仿時(shí) ANSYS CFD模型采用4核并行仿真，Dymola模型采用單核仿真，同步時(shí)間為1s。
•仿真結(jié)果對(duì)比
在中午時(shí)的總輻射功率超過800W/m^2。兩種仿真方式均基于下圖功率曲線：
太陽能收集器的吸熱功率、散熱功率和總功率的曲線圖
兩種方式仿真出的結(jié)果曲線整體趨勢(shì)是一致的。耦合三維模型后的結(jié)果曲線變化更加劇烈。產(chǎn)生這種差別的重要的原因是一維模型中不存在動(dòng)量，并且將空間模型轉(zhuǎn)化為一個(gè)整體尺寸。
太陽能收集器的進(jìn)口、出口及周圍環(huán)境溫度的曲線變化
同樣的,一維模型和一三維耦合模型的結(jié)果大致相同，差別出現(xiàn)在下午16時(shí)之后，太陽輻射強(qiáng)度顯著下降，兩種仿真方式下的控制器行為差別明顯。
控制器的開關(guān)特性引起的泵的流量曲線
下面兩張圖是連接儲(chǔ)水罐的進(jìn)口管路和出口管路溫度曲線，以及儲(chǔ)水罐內(nèi)10個(gè)水平面的溫度曲線。
觀察日落之后的入口溫度，發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：一維模型的溫度有明顯下降，而三維模型的入口溫度只有很小的斜度。產(chǎn)生這種差別的原因是三維模型包含了自然對(duì)流。連接管路的熱損失受到了儲(chǔ)水罐的整體熱損失的影響。儲(chǔ)水罐上層與連接管路發(fā)生的熱對(duì)流補(bǔ)償了管路的熱損失。
一維模型仿真結(jié)果
一三維耦合仿真結(jié)果
下圖是CFD模型計(jì)算的儲(chǔ)水罐在三個(gè)時(shí)刻(6:44,13:00,24:00)時(shí)垂直切面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。
6:44時(shí)刻儲(chǔ)水罐內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
13:00時(shí)刻儲(chǔ)水罐內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
24:00時(shí)刻儲(chǔ)水罐內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
•總結(jié)
◆同樣邊界條件下，兩種仿真方式的仿真結(jié)果趨勢(shì)一致
◆在早晨和傍晚時(shí)刻，溫度受流量開關(guān)特性的影響是顯而易見
◆ 三維的儲(chǔ)水罐模型表現(xiàn)出更加復(fù)雜的行為
◆ 如果儲(chǔ)存的熱能量發(fā)生變化或者流入的質(zhì)量流在0—流量之間切換時(shí)，三維模型表現(xiàn)出即時(shí)響應(yīng)，這是由于CFD運(yùn)算中包含動(dòng)量傳遞和自然對(duì)流
項(xiàng)目?jī)r(jià)值
•利用太陽能熱水器的案例說明了一三維模型聯(lián)合仿真的方法
•兩種仿真方式的對(duì)比結(jié)果相似的，證明仿真方式可行
•通過單獨(dú)部件的三維建模和一維模型聯(lián)合仿真，可以開展部件詳細(xì)設(shè)計(jì)研究。本文中詳細(xì)的三維儲(chǔ)水罐模型全面考慮周圍環(huán)境后，允許更加詳細(xì)的問題分析，如優(yōu)化溫度傳感器的安裝位置或研究自然對(duì)流現(xiàn)象
•充分離散后的三維儲(chǔ)水罐模型在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上要求計(jì)算時(shí)間大約是仿真時(shí)間的兩倍
項(xiàng)目背景
柏林Manuel Ljubijankic教授等人聯(lián)合TLK熱電公司(TISC廠商)，采用TISC仿真環(huán)境，實(shí)現(xiàn)一、三維熱流體模型的聯(lián)合仿真，并對(duì)仿真結(jié)果作了分析。
項(xiàng)目方案
為了更好對(duì)比仿真結(jié)果，在搭建一、三維流體模型之前，首先只采用Dymola軟件搭建太陽能熱水器系統(tǒng)模型。
一維系統(tǒng)模型架構(gòu)如右圖所示：管路長(zhǎng)度設(shè)置到1m，儲(chǔ)水罐在劃分成10個(gè)水平溫度區(qū)域。
基于Dymola熱流體庫和ANSYS CFD軟件搭建太陽能熱水器系統(tǒng)模型，并在TISC仿真環(huán)境中進(jìn)行了軟件聯(lián)合仿真。
三維儲(chǔ)水罐模型建模要求：
•合理的離散精度
•合適的運(yùn)算速度
•合適的接口位置，接口位置選在流動(dòng)狀態(tài)穩(wěn)定的點(diǎn)，儲(chǔ)水罐連接管路長(zhǎng)度0.275m
一三維聯(lián)仿時(shí)的Dymola模型，除了儲(chǔ)水罐模型，其余系統(tǒng)模型復(fù)用
實(shí)施效果
單獨(dú)的Dymola模型仿真和基于TISC的Dymola和Fluent的聯(lián)合仿真結(jié)果對(duì)比
•計(jì)算時(shí)間對(duì)比
一維Dymola模型仿真用的軟件版本是Dymola7.4，采用Dassl求解器，容許誤差是1e-4，計(jì)算一天的溫度變化，時(shí)間是幾十秒鐘。
耦合后的一三維模型，計(jì)算時(shí)間大約為仿真時(shí)間的兩倍，總時(shí)間大約為50小時(shí)，電腦配置8個(gè)核，主頻率2.8GHz，32GM內(nèi)存，操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux 11.2。聯(lián)仿時(shí) ANSYS CFD模型采用4核并行仿真，Dymola模型采用單核仿真，同步時(shí)間為1s。
•仿真結(jié)果對(duì)比
在中午時(shí)的總輻射功率超過800W/m^2。兩種仿真方式均基于下圖功率曲線：
太陽能收集器的吸熱功率、散熱功率和總功率的曲線圖
兩種方式仿真出的結(jié)果曲線整體趨勢(shì)是一致的。耦合三維模型后的結(jié)果曲線變化更加劇烈。產(chǎn)生這種差別的重要的原因是一維模型中不存在動(dòng)量，并且將空間模型轉(zhuǎn)化為一個(gè)整體尺寸。
太陽能收集器的進(jìn)口、出口及周圍環(huán)境溫度的曲線變化
同樣的,一維模型和一三維耦合模型的結(jié)果大致相同，差別出現(xiàn)在下午16時(shí)之后，太陽輻射強(qiáng)度顯著下降，兩種仿真方式下的控制器行為差別明顯。
控制器的開關(guān)特性引起的泵的流量曲線
下面兩張圖是連接儲(chǔ)水罐的進(jìn)口管路和出口管路溫度曲線，以及儲(chǔ)水罐內(nèi)10個(gè)水平面的溫度曲線。
觀察日落之后的入口溫度，發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的現(xiàn)象：一維模型的溫度有明顯下降，而三維模型的入口溫度只有很小的斜度。產(chǎn)生這種差別的原因是三維模型包含了自然對(duì)流。連接管路的熱損失受到了儲(chǔ)水罐的整體熱損失的影響。儲(chǔ)水罐上層與連接管路發(fā)生的熱對(duì)流補(bǔ)償了管路的熱損失。
一維模型仿真結(jié)果
一三維耦合仿真結(jié)果
下圖是CFD模型計(jì)算的儲(chǔ)水罐在三個(gè)時(shí)刻(6:44,13:00,24:00)時(shí)垂直切面的流場(chǎng)和溫度場(chǎng)。
6:44時(shí)刻儲(chǔ)水罐內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
13:00時(shí)刻儲(chǔ)水罐內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
24:00時(shí)刻儲(chǔ)水罐內(nèi)流場(chǎng)與溫度場(chǎng)
•總結(jié)
◆同樣邊界條件下，兩種仿真方式的仿真結(jié)果趨勢(shì)一致
◆在早晨和傍晚時(shí)刻，溫度受流量開關(guān)特性的影響是顯而易見
◆ 三維的儲(chǔ)水罐模型表現(xiàn)出更加復(fù)雜的行為
◆ 如果儲(chǔ)存的熱能量發(fā)生變化或者流入的質(zhì)量流在0—流量之間切換時(shí)，三維模型表現(xiàn)出即時(shí)響應(yīng)，這是由于CFD運(yùn)算中包含動(dòng)量傳遞和自然對(duì)流
項(xiàng)目?jī)r(jià)值
•利用太陽能熱水器的案例說明了一三維模型聯(lián)合仿真的方法
•兩種仿真方式的對(duì)比結(jié)果相似的，證明仿真方式可行
•通過單獨(dú)部件的三維建模和一維模型聯(lián)合仿真，可以開展部件詳細(xì)設(shè)計(jì)研究。本文中詳細(xì)的三維儲(chǔ)水罐模型全面考慮周圍環(huán)境后，允許更加詳細(xì)的問題分析，如優(yōu)化溫度傳感器的安裝位置或研究自然對(duì)流現(xiàn)象
•充分離散后的三維儲(chǔ)水罐模型在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)上要求計(jì)算時(shí)間大約是仿真時(shí)間的兩倍
