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基于GT-SUITE建立CO2制冷系统仿真分析

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摘要

目前商用制冷系统为了应对国家“双碳”目标，行业内也对新一代替代制冷剂应用探索着方向，使用零ODP值、低GWP值的替代品，如CO2、NH3、R290、R32、HFOs等。本文基于GT-SUITE对商用制冷系统进行仿真分析，其中建立了跨临界CO2制冷系统以及控制动态仿真。

来源：Emerson Climate Technologies

介绍

近来由于绿色发展的挑战，我们可以看到制冷行业在新方向的探索，其中CO2跨临界制冷系统的应用成为一个代表。而应用CO2作为制冷剂，我们通常需要进行多级压缩来实现制冷系统在低温负载和中温负载的需求。GT-SUITE作为多物理场动态仿真软件是一个完美的工具，基于GT-SUITE可以帮助确定在不同的运行条件下的运行特性和控制策略。

当我们将传统的制冷系统转换成CO2时，出现了多方面的挑战，其中设计结构会有所不同。比如，传统的制冷系统可以使用复叠式压缩机，它们都直接从蒸发温度压缩到冷凝温度，但是超临界CO2系统需要设置两级压缩来实现。

在进行控制算法优化之前，我们针对制冷系统性能进行了参数分析，后续在其基础上进行HIL测试，建立虚拟平台来验证和开发新的控制算法。

CO2制冷系统结构

本文所展示的是跨临界CO2系统结构，如下图展示系统设计工况点以及系统结构图。系统中有跨临界CO2涡旋压缩机、气体冷却器、经济器、膨胀阀、蒸发器等部件。

其中低温压缩机将较低温度的气体压缩至中间状态，二级压缩将所有气体压缩至临界压强以上，压缩后的气体通过气体冷却器进行冷却，再通过经济器实现进一步冷却。其中部分制冷剂实现过热并通过补气口喷射到压缩机中间补气，剩下的制冷剂进入到膨胀箱，实现气液分离，制冷剂在相应的蒸发温度下实现制冷。对于低温部分需要低温压缩机来压缩低温制冷剂，把它们的压力提高到中间状态，最后所有制冷剂气体由中温压缩机压缩。

GT-SUITE模型建模

下图是基于以上系统架构建立的完整CO2制冷系统模型，在GT-SUITE的基础上实现所有部件的建模，其中还对低温、中温展柜进行了建模，建立了完整的系统模型。其中所有的控制阀是基于曲线数据来模拟的，每个展柜都有热膨胀阀来调节每个蒸发器出口的过热度。

目前GT-SUITE的数据库中只有简单的基于map压缩机模型或者详细的压缩机模型建模，还没有补气增焓压缩机模型（后续在GT2023build2版本会提供直接设置补气增焓压缩机模型），不过GT-SUITE可以根据现有的部件模型及相关理论计算建立补气增焓压缩机模型。GT-SUITE所提供的许多构建模块，可用于各种物理模型的构建。下图是完成了试验验证的压缩机模型，其中包括压缩机启停和转速控制策略。

气体冷却器模型建模，是在试验数据的基础上来模拟的。该气体冷却器是水平布置，总共有4排和28列，其布置形式如下图所示。GT-SUITE对换热器的建模，可以准确的表征换热器设计的流体回路。

下表是气体冷却器的相关参数，其中展示了供应商提供的设计数据，在给定的条件下预测回路的性能，气体冷却器仿真模型的运行结果和供应商提供的数据进行对比。目前还待测试，随着测试的进行会对其模型进一步优化。

经济器是板式换热器，GT-SUITE提供了相应换热器的模板，只需要输入相应的产品设计数据来拟合换热器性能。

由于CO2不是典型的制冷剂，因此模型里面的控制阀模型由GT-SUITE自带的模块来建立，阀门开度通过PID控制器来监控目标过热度来控制。

对于展柜实际结构中有风扇和蒸发器结构，在成品中是隐藏在展柜下方，我们只能看到顶部的部分。在展柜内是通过风扇将空气送入蒸发器，一直把空气从顶部推出，如下图所示，空气实现循环，但是其中部分空气也会被吹到冷却货架的物品上。

为了模拟以上展柜，建立了GT-SUITE模型，该模型由蒸发器、制冷剂流路和空气流路组成。空气侧通过风扇来实现周围空气的循环，由于该展柜是对外开放的，所以模型需要考虑空气泄露以及空气的重新吸入。制冷剂方面，通过膨胀装置来实现制冷剂目标过热度。

制冷系统动态仿真控制方案

在仿真过程中，所有控制器都由GT-SUITE数据库提供的PID模型作为独立的控制回路运行，并且在仿真过程中使用固定的控制目标值。不同的阀门来控制流路的压力，经济器通过热膨胀阀来控制低压经济器出口过热度以及补气口的压力和补气流量。

上图是不同环境温度下，为保证最佳能效比所对应的系统结构需要的压力结果，与传统系统相比，该结构可以降低系统压力。

同样对模型的动态仿真功能进行了验证，如下图所示，在某些高温条件下没有正确设置目标过热度对导致系统的不稳定。通过调整目标过热度可以看到系统在最终状态会实现稳定。

将以上模型与Python模块进行耦合，Python模块从这个模型中读取信号，然后把信号传递给硬件控制器，硬件控制器会产生11个控制信号，然后从总线读取以上信息来控制系统信息。通过这个方法，可以有效的调试控制器算法和研究新的控制逻辑。

下图是HIL控制系统实际的一个结果展示，我们可以看到，压缩机在300s附近关闭，然后再30s后重新打开。在600s附近由于出口温度温度出现异常现象，控制器此时将压缩机进行关闭。

结论

建立了以CO2为工质以及跨临界蒸汽喷射涡旋压缩机的商用制冷系统的动态仿真模型，展示了跨临界涡旋CO2压缩机实现的经济器蒸汽喷射的运行特性，与传统系统相比有着更好的系统压力表现。在控制系统动态仿真方面，可以看出GT-SUITE可以很好的应用于控制系统模拟以及系统运行特性研究，与实际硬件控制器耦合可以进行控制器开发及优化。

来源：艾迪捷

平稳航行：使用CONVERGE分析船用螺旋桨

到目前为止，航运业是全球贸易的最大推动者，货船承担了全球90%的货物运输。为了满足日益严格的排放法规要求，除了高效清洁的发动机研发外，设计越来越高效的船舶推进系统势在必行。船舶性能的核心因素之一就是螺旋桨。 CONVERGE作为一款优秀CFD分析工具在船用发动机分析领域已经为人熟知，事实上，它在分析和优化螺旋桨设计上也具备很多优势。通过完全自主的网格划分，即便是最复杂的螺旋桨几何形状，CONVERGE也可以快速生成高质量的计算网格。同时，CONVERGE可以在每个时间步内对局部空间的网格实现重构，达到无缝适应螺旋桨运动的网格效果。此外，CONVERGE包括了稳健的多相流、流固交互（FSI）和空化模型，这些都是三维评估和分析螺旋桨性能所必需的工具。如何使用CONVERGE应用于螺旋桨分析呢？我们首先在波茨坦螺旋桨测试案例（Potsdam Propeller Test Case, PPTC）上验证CONVERGE稳态和瞬态建模能力，其中螺旋桨是完全浸没的。然后，我们会将CONVERGE应用于物理上更复杂的半浸式螺旋桨模拟。图1 SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304 PPTC: 稳态分析在第一个验证案例中我们对SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304进行稳态模拟（图1）并将结果与公布的实验数据进行比较[1] 。实验测试结果来自于开放水域，在拖曳水池中螺旋桨恒定转速为15转每秒。通过改变入流速度来测试不同的推进系数（J），并测量每次运行时叶片的推力和扭矩。根据这些测量结果，确定开放水域特性，如推力系数（KT）、扭矩系数（KQ）和开放水域效率（η0）。在CONVERGE模型中，我们采用了k-ω SST湍流模型，基于速度的自适应网格加密（AMR）以及对运动几何的多重参考坐标系（MRF）方法。图2显示了实验和仿真的推力系数、扭矩系数及开放水域效率。在整个推进系数范围内，CONVERGE结果和实验数据吻合良好。图2 实验和仿真的推力系数、扭矩系数及开放水域效率PPTC：瞬态分析稳态PPTC验证之后，我们进行瞬态模拟将仿真预测的速度场和公开的实验测试值比较[2]。在空化试验中进行激光多普勒测速（LDV），对多个位置的速度进行测量。CONVERGE自动化网格生成有利于解析旋转的螺旋桨几何结构。和稳态求解一样，我们使用k-ω SST湍流模型和基于速度的AMR。在下面的视频中（图3），等值面代表涡量，垂直于螺旋桨轴的平面上显示网格。从视频中可以看到CONVERGE的自动化网格是如何适应螺旋桨运动以及AMR是如何调整网格解析度来捕捉流场的。图4显示了x/D=0.2平面上两个不同径向位置的实验和数值的速度结果。CONVERGE精确捕捉了轴向、切向和径向速度趋势。图4 PPTC瞬态案例中轴向速度切向速度和径向速度的实验和仿真值半浸式螺旋桨在验证了CONVERGE可以准确预测水下螺旋桨关键性能因素后，我们接着讨论一个更复杂的场景：半浸式螺旋桨。研究对象依然是SVA Potsdam可控螺距螺旋桨VP1304几何。仿真模型利用CONVERGE的VOF方法，单独组分求解来模拟多相流。此外，还会用到表面压缩技术来追踪空气和水的界面。和之前的案例一样，CONVERGE自动化网格生成技术让案例设置更简单，AMR有助于重要物理现象的准确捕捉。在下面的视频中（图5）可以看到CONVERGE捕捉了复杂的尾迹结构并保持清晰的空气-水界面。结论上述研究验证了CONVERGE的螺旋桨仿真建模能力，并展示了CONVERGE在复杂情况下的实用性。结合CONVERGE的流体-结构交互作用（FSI）和空化模型，用户可以对船舶推进和螺旋桨磨损进行更全面的研究。CONVERGE是评估螺旋桨性能的强大工具，自动化网格生成技术使螺旋桨设计测试变得更加容易。—参考文献—[1] Barkmann, U.H., “Potsdam Propeller Test Case (PPTC): Open Water Tests With the Model Propeller VP1304,” Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH Report 3752, 2011.[2] Mach, K.-P., “Potsdam Propeller Test Case (PPTC) – LDV Velocity Measurements With the Model Propeller VP1304,” Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH Report 3754, 2011. 来源：艾迪捷