《基于Flownex的數字孿生體解決方案》是我們最近完成的系列落地方案之一。該方案適用于熱力系統、冷卻系統、通風空調、油氣管網、航空發動機與燃機等應用場景的數字孿生體搭建。本文介紹該解決方案在空調系統數字孿生體中的應用實例，分為上下兩篇，上篇著重介紹空調系統的數化方法和過程，下篇將著重介紹數字對象和物理對象之間的實時動態互動技術。

 

背景與挑戰

 

中央空調系統是辦公樓里的耗電大戶，使用數字孿生技術對中央空調系統進行研究，對于節能環保有著非常好的經濟效益和社會效益。

 

安世亞太總部是一幢五層的獨棟建筑，樓內安裝有多聯機中央空調系統，室外機統一布置在大樓頂層，每臺室外機通過配管連接并拖動某層樓中一半的室內機。室外側采用風冷換熱的形式，室內側采用制冷劑蒸發換熱的形式。

 

圖：安世亞太總部大樓

 

圖：多聯機空調系統示意圖

 

圖：室外機組

 

圖：室內機組

 

空調系統數字孿生體的架構

 

空調系統數字孿生體的架構及關鍵技術如下圖所示。

 

圖：空調系統數字孿生體的架構

 

在空調系統數字孿生體的建立中，需要使用CAE仿真分別建立三個物理系統的孿生體，分別是物理制冷循環系統孿生體、物理通風管路系統孿生體和物理室內通風系統孿生體。這三個物理系統孿生體之間的構成和關系如下圖所示。

 

圖：空調系統中三個物理子系統的孿生體數化過程

 

空調系統數字孿生體的搭建過程

 

針對物理制冷系統和通風管路系統，使用Flownex進行數字孿生體的搭建工作。

 

Flownex具有兩相流動計算功能，能夠計算制冷循環中制冷劑的相變和換熱過程。Flownex提供了各種壓縮機元件，用于模擬制冷循環的壓縮機和通風系統中的各種風機。Flownex標準元件庫中包含調壓閥、止回閥、球閥、蝶閥等，能夠很好的模擬制冷循環中的節流閥和通風系統中的各開關和閥門。Flownex包含熱交換器元件庫，如管殼式換熱器、翅片式換熱器等，用于模擬冷凝器和蒸發器的換熱過程。Flownex提供了基本管件、彎管、T型管、三通等基本元件，用于快速搭建管路系統，計算流動和換熱過程。

 

圖：制冷循環熱力點研究

 

圖：某個樓層的制冷系統和通風管路系統搭建

 

針對物理室內通風系統，使用ANSYS Fluent進行數字孿生體的搭建工作。

 

基于某個樓層的平面布置圖，建立真實的辦公室空間幾何模型，進行三維的流動和傳熱過程計算，獲得該樓層內的流場和溫度場分布結果。

 

圖：某個樓層的空間幾何模型

 

圖：某個樓層的空間溫度分布圖

 

由于三維的模型無法滿足數字孿生體實時仿真的要求，需要使用降階技術將三維模型轉換為降階模型，以實現實時仿真的需求。

 

通過降階技術，可以將三維模型中關鍵變量的輸入輸出參數之間的關系描述出來，以實現快速計算和各子系統之間快速耦合數據。

 

圖：將ANSYS Fluent三維模型進行降階

 

空調系統數字孿生體的價值

 

空調系統數字孿生體搭建完成后，可以獲知整個空調系統內部各種物理量的分布情況，實時監測整體系統的運行狀況，還能夠借助歷史記錄、物聯網、大數據分析等手段實現智能控制與預測性維護等功能，幫助我們深入了解整個空調系統的運行細節，預測各種極端條件下的故障可能性以及尋找合理運行參數提供數據支撐，從而實現空調系統的節能化運行。

 

 

作者簡介

 

崔亮，載運工具運用工程專業，就職于安世亞太科技股份有限公司

 

現為仿真業務部高級流體工程師。熟悉Fluent、CFX等多種三維CFD仿真軟件，Rocky DEM離散元仿真軟件，以及Flownex一維熱流體仿真軟件等，有著豐富的產品使用經驗和工程項目經驗，長期從事汽車、航空航天等領域的項目咨詢和高級培訓工作。