Ansys TwinBuilder数字孪生制冷循环系统仿真建模案例全解
导读：上一篇文章《基于仿真的数字孪生系统的技术路径及优缺点剖析-附系统仿真建模》对基于数字孪生的定义和范围、整体技术路径和数字孪生的优缺点进行了详细分析。获得了10000+阅读量，转发量更是1000+次。这些数字的背后感受到读者对我的内容的喜爱和认可。
本文我再介绍了一个普通的系统仿真建模案例，希望能引发读者的共鸣。目前我的视频课程《系统仿真核心建模技术8讲》即将更新完结，欢迎大家订阅后进群与我和同行进行深度交流，详情见后文。
一、任务与工具平台
1、任务背景
任务来自于国外某个冰箱制造商的控制策略开发部门。在新冰箱的开发过程中，各个部门都是并行进展的。由于控制策略属于软件，相比起冰箱本体的开发要快得多。因此，往往是控制策略开发完成后，要等待冰箱硬件的设计和加工完成后才能试验。这种限制，使得控制策略的开发周期极大的拉长，也使得控制策略的开发往往不能对所有的备选方案一一进行充分测试。在这样的背景下，客户希望开发一种虚拟的被控对象，从而实现控制策略的快速评估。而且这一被控对象不能是简单的定性模型，而要具备较高的仿真精度，做到一定程度的保真。
2、任务描述
客户提供了一个制冷循环系统的简图，如图 1所示。左下角是压缩机。压缩机将工质压缩后通入冷凝器，工质由气体变成液体并在此过程中放热。后经较长管道（红色）流动后，通入毛细管（左侧深蓝色直管）降压。降压后进入蒸发管，工质蒸发成气体，并在此过程中吸热。蒸发成气体的工质再次进入压缩机，完成整个循环。整个循环中有两个换热器，分别为冷凝器和蒸发器，分别有两个风扇，通过吹风，实现对工质热量的抽取和注入。在冷凝器中，工质把热量传递给空气；在蒸发器中工质从空气中吸取热量。冷凝器的空气于外接相连；蒸发器的空气于冷藏室/冷冻室相连。从而实现了把冷藏室/冷冻室的热量搬运到外接的目的。
图 1 制冷循环简图
冷却循环内各个元器件的具体几何参数如图 2所示。冷却循环中，除蒸发器和冷凝器外的全部元件，可根据图 2中提供的数据完成建模。蒸发器和冷凝器是建模的关键，除了图 2数据外，还要结合客户提供的结构简图配合才能完成参数设置。具体的结构分析在下文中详细介绍。
图 2 冷却系统各元器件具体几何参数
该冷却循环使用的工质是异丁烷，代号为R600a，化学式为CH(CH3)3。具体的热力学特性在下文中详细分析。
客户还还提供了该冰箱的控制策略，包括对压缩机、两个风扇的转速控制，和冷风在冷藏室和冷冻室之间的阀门（damper）的控制，所有控制都是开关量。由于保密原因，无法公开具体控制规律和状态转换条件。
3、工具描述
本项目使用的软件工具，是ANSYS公司的TwinBuilder。这款软件是ANSYS公司的数字孪生生成工具体系里的主要软件工具。
ANSYS的数字孪生是以系统仿真模型作为骨架，以系统仿真模型库、降阶模型、第三方模型、试验数据的多种数据与模型作为分支，整合在一起形成的可脱离任何仿真软件平台运行独立程序。使用者可以把这一程序拷贝到任何地方，用传感器数据作为该程序的输入数据，驱动其运行，该程序的输出结果，即为数字孪生结果。这种类型的数字孪生，可以用仿真手法替代真实传感器，从而实现了传感器自由。其适用场合如：炉内火焰温度、叶轮设备的叶片表面压力、温度、应力等参数、管路系统内任意位置的流体任意参数等的监测。
TwinBuilder作为一款数字孪生生成工具，其基础功能即为系统仿真模型的建模。本案例中使用的是冷却循环专用的Modelica模型库建模。该模型库由Modelon公司开发，并做成TwinBuilder专用款。模型库中含有目前市面上所有制冷循环元件的模型，和所有制冷剂模型，可进行任何种类的冰箱、空调制冷和热泵系统制热循环的搭建。
二、建模策略
1、物理原理介绍
制冷循环的工作原理，从本质上来说是一个热量的搬运过程：把冷藏/冻室里的热量，通过循环搬运到外界。具体来说，蒸发器与冷藏/冻室联通，工质把热量吸收到自身内部。冷凝器与外界联通。含有热量的工质流动到冷凝器时，把热量释放到外界。为了实现这一传热方向，冷却循环必须确保在蒸发器里的工质温度低于冷藏/冻室的温度，在冷凝器里的工质温度高于外界温度。具体的温度和传热方向如图 3所示。
图 3 制冷循环的制冷原理——温度与传热方向
为了让工质携带的能量尽可能大，制冷循环采用了相变。由于流体相变时是等温的，而吸收和释放的热量（潜热）往往相比于单一相一般工况下的吸放热有数量级上的差别，所以采用相变可使制冷循环的制冷效率显著提高。工质在蒸发器中，由液态变成气态，从而吸收热量，在冷凝器中由气态变成液态，从而放出热量。
在制冷循环中，为了使工质在蒸发器中比冷藏/冻室温度更低，且能由液体蒸发成气体，在冷凝器中能够比外界温度更高，且可由气体凝结成液体，是通过改变工质的压力实现的具体来说，是使用压缩机和毛细管（有的循环使用的是降压阀，本客户使用毛细管）实现的。
图 4展示了工质相态和压力在整个循环中的变化规律。
图 4 制冷循环的制冷原理——相变与压力
2、建模路线
从模型解耦角度，可建立三个独立的模型，分别为：冷却循环、控制模块和冷藏/冻室。如图 5所示，为模型解耦架构。冷却循环的输出量包括各个关键点的温度与压力值，蒸发器出口温度和蒸发器风扇的风量。蒸发器温度与风量作为输入量发送给冷藏/冻室作为输入量。冷藏/冻室的温度作为输出量，发送给控制逻辑。控制逻辑根据该输入温度，发送控制信号给冷却循环的压缩机和两个风扇。同时，还有一路控制信号发送给冷藏/冻室的Damp Door。
图 5 模型解耦架构
根据与客户的协议，控制模块由客户自行建立。所以本次任务为建立冷却循环模型和冷藏/冻室模型，并实现这两个模型在特定控制逻辑下的联合运行。
在这两个模块中，冷却循环最复杂和重要，是主要建模对象，冷藏/冻室是次要建模对象。在建模策略上，首先分别建立这两个模型，然后分别完成开环测试，然后在恒定控制信号的条件下，完成联合运行的闭环测试。最后完成变工况下的闭环测试。
从工作流程上来说，由于冷却循环模型的复杂性，需经历如所示的工作步骤，逐步实现整个模型的建立。
图 6 建模工作流程
三、工质热力学性质分析
根据前述制冷循环的介绍，工质在压缩机、冷凝器、毛细管、蒸发器内的温度、压力和相态是需要满足特定要求，才能实现制冷。因此，需对工质的热力学性质进行详细研究。为了研究方便，工程师在正式建模前，搭建了一个简单的热力学特性测试台模型，从而获得特定压力和焓下的气相质量分数和温度，并用python制作了可直观分析的曲面图。如图 7和图 8所示，分别为异丁烷在不同压力和焓下的温度和气相质量分数曲面。
图 7 异丁烷在不同压力和焓下的气相质量分数
图 8异丁烷在不同压力和焓下的温度
四、初步建模
当完成工质热力学性质的研究后，即可进行初步建模。按照图 1中的拓扑连接方式，从制冷循环模型库中选择相应模型，连接成与之一致的系统模型。如图 9所示，为连接完成后的系统模型与结构图的对应关系。
图 9 模型与结构简图的对应关系
在连接过程中，对控制信号的处理是一项关键性工作。由于整个循环是闭式循环，且存在蒸发与冷凝现象。因此其数值计算过程存在极端非线性特征。如果系统内存在过多非可导变量，将导致整个方程组求解的失败，从而造成计算发散。其中，对这一问题影响最大的是控制信号。由于控制信号不是真实物理量，有可能存在不连续或不可导的情况，需添加虚拟数据处理环节，确保控制信号的可导性。如图 10所示，为对控制信号的处理。
图 10 对控制信号的处理
本次建模过程中，最困难的工作是对初始值的设定。由于制冷循环的工作状态不是常温常压，如果使用默认值作为初始值，则仿真直接报错。为此，需根据工质热力学特性，大致确定关键位置的工质热力学参数。如图 11所示，为由工质热力学性质确定的冷却循环内关键位置热力学状态。
图 11 冷却循环内关键位置热力学状态
当完成初值设置后，即可进行制冷循环的开环测试，如图 12所示，为制冷循环开环测试结果。
图 12 制冷循环开环测试结果
完成制冷循环建模后再进行冷藏/冻室建模。如图 13所示，为冷藏/冻室模型和开环测试结果。
图 13 冷藏/冻室模型和开环测试结果
当两个模型都完成开环测试后，即可进行恒定控制信号的闭环测试。如图 14所示，为恒定控制信号的闭环测试。
图 14 恒定控制信号的闭环测试
五、换热器详细研究
前述已初步建模的模型，除换热器外的所有元件都已经按照客户提供的数据调整了元件参数。但是蒸发器和冷凝器仍然使用的是模型库的默认参数。在本环节，需要根据客户提供的详细换热器结构简图和对应的参数，调整元件参数。
由于客户对换热器的各个结构尺寸的定义方法与模型库中元件的结构尺寸定义方法不一致，故本环节的主要任务是在两种定义方法间进行翻译。为了更便捷的对两种定义方法进行翻译，建模工程师采用三维CAD软件，对换热器进行了全面的建模，并在模型上进行定义翻译。由于过程极为繁琐，在本文章里，仅展示若干图片。如图 15和图 16所示，分别为蒸发器和冷凝器的定义部分翻译。
图 15 蒸发器定义翻译示例
图 16 冷凝器定义翻译示例
六、建立记录元件
记录元件的建立，是为了让客户在使用起模型来更加方便。该系统模型元件数量较多，每个元件里要设置的参数也很多。一般普通的模型大致有十几个参数要设置，换热器有几十个参数。而且，大部分参数是可以统一设置成同一个数值的。为此，工程师在界面内制作了若干个记录元件，把所有相同数值的参数统一成一个参数放置在记录元件内。这样客户使用起来，可较为方便的对参数进行统一设置。如图 17所示，为记录元件内设置的参数条目示例。
图 17 记录元件内设置的参数条目示例
七、可变控制信号闭环仿真调试
本项目最后一步，是使用变化的控制信号，对闭环模型进行控制。一般来说，如果前述环节的工作踏实的话，这一环节会比较顺利，否则将旷日持久。
如所示，为最终的测试结果。该测试从冰箱未开机状态开始测试，共经历了四个控制状态。图中上侧曲线，为冷藏/冷冻室里四个关键位置的温度值。下侧曲线为制冷循环里冷凝器内部四条管道里的气态工质质量分数。由图中可以看到，在第三个控制状态下（压缩机关机，所有风扇关机），原本应该是纯液体的管道里，出现了大量气体。这种仿真结果是细致入微的，不仅能为更好的控制逻辑提供被控对象，更为优化冷却循环提供了强有力的工具。
图 18 变化控制信号的闭环测试结果
八、总结
本文展示了一个普通的系统建模与仿真工作。相比于三维仿真，系统仿真的受众较小，也相对比较抽象。但是，在实际的产品研发过程中，往往发挥着巨大的作用。
对于系统仿真工程师而言，也许每个零部件的性能都不是最优的，但所有零部件工作时的协调性，才是整个产品发挥出最大效能的关键。
强烈推荐工程师一起来学习《系统仿真核心建模技术8讲：全解Modelica语言建模方法与模型库制作应用》，本课程用接地气的方式，展现了如何使用Modelica语言制作模型库。帮助学员学完全部课程后，可具备独立建设Modelica模型库的能力。当前Modelica语言是社会稀缺能力，掌握该能力可增加就业机会和收入水平。为订阅用户提供VIP群交流，提供答疑服务，相关学习资料，不定期内容加餐等服务。以下是课程安排：
《系统仿真核心建模技术8讲：全解Modelica语言建模方法与模型库制作应用》
课程可随时回放，可开具发票，奖学金、直播加餐
讲师提供vip群答疑和模型下载，开具电子发票
扫码立即试看
九、学仿真技术，别错过仿真秀618
在当前仿真技术发展的关键节点，仿真秀 618 活动的到来恰逢其时。正如任正非强调的 “干就完了” 的行动力，仿真秀 618 为每一位渴望提升的学习者和从业者提供了 “即刻行动” 的绝佳契机。仿真秀邀请100+位仿真精品课作者为学习者带来618年中钜惠。
限时秒杀、万券齐发，课程低至 1 折，力度空前。活动福利详情：
1、全场通用优惠
6月13日 - 6月22日活动期间，送你650元（三类）全场课程通用券，不限课程，可与限时秒杀课程叠加使用，点击文尾阅读原文链接即可领取。
2、限时秒杀
6月13日 - 6月22日活动期间，仿真秀平台推出精选课程限时秒杀列表，课程内容涵盖结构与强度分析、流体力学与流固耦合、传热与热仿真、信号完整性、叶轮机械、汽车领域、材料与工艺、芯片封装、编程与应用、规范解读、分子模拟等多领域，助力提升专业技能。
注：购买前进群领取650元通用券！！！
抓住仿真秀 618 的机会，就是抓住与时代同频、与技术共进的钥匙。无论是理工科学子夯实学业基础，还是研发工程师寻求技术突破，都能在这场知识盛宴中满载而归，为推动我国仿真技术的发展注入新的活力。
来源：仿真秀App
