柏林大学与TISC合作：Modelica-CFD联合仿真提升太阳能热水器系统效率

本研究聚焦于"基于Modelica和CFD的能源供给系统建模与联合仿真"，由柏林大学的Manuel Ljubijankic教授及其团队与TLK热电公司(TISC厂商)合作进行。他们利用TISC仿真环境，实现了对一维和三维热流体模型的联合仿真，目标是优化太阳能热水器系统的性能评估。 首先，为了建立基准，研究者使用Dymola软件构建了一维太阳能热水器系统模型，包括精确到1米的管路长度和10个水平温度区段的储水罐。Dymola的热流体库和ANSYS CFD软件被整合在一起，构建了完整的系统模型，并在TISC环境中进行联合仿真。 三维模型的建模要求着重于离散精度、运算速度和接口选择，接口位置设在流动状态稳定的地方，例如储水罐连接管路长度为0.275米。在联合仿真过程中，除了三维储水罐模型，其余系统模型被复用，以提高效率。 实施效果部分，通过对比一维Dymola模型（使用Dymola 7.4和Dassl求解器，容差1e-4，计算一天温度变化约几十秒）和三维模型（采用4核并行CFD和单核Dymola模型，总时间约为50小时）的计算时间，可以看出联合仿真显著增加了计算时间。然而，两者在功率曲线、太阳能收集器温度变化以及控制器行为上保持了大致一致的趋势。 显著的差异在于午后太阳辐射减弱时，由于一维模型忽略了动量效应和空间尺度，导致在下午16时之后，一维模型的温度下降更为剧烈，而三维模型则反应相对平缓。具体表现为，一维模型的入口温度在日落后下降明显，而三维模型仅表现出轻微变化。这种差异反映了三维模型在捕捉实际物理过程中的复杂性。 最后，论文展示了两个模型中储水罐进出口温度和内部水平面温度的变化，以及泵流量随控制器行为的变化，这些数据提供了深入理解系统动态响应的重要依据。通过对比分析，研究者揭示了模型简化对系统性能预测的影响，这对于实际能源供给系统的设计和优化具有重要的参考价值。