CC BY
28
УДК 629
ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАМКНУТОГО КОНТУРА СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ
А. В. Делков, Ю. Н. Шевченко
Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
Е-mail: delkov-mx01@mail.ru
Охлаждения с применением объектно-ориентированного языка Modélica. Приводится описание основных особенностей полученной модели.
Ключевые слова: OpenModelica, моделирование, система охлаждения.
NUMERICAL SIMULATION OF THE CLOSED LOOP COOLING SYSTEM
A. V. Delkov, Yu. N. Shevchenko
Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: delkov-mx01@mail.ru
This paper covered the question of the numerical simulation of the closed loop liquid cooling system using an object-oriented language Modelica. A description of the main features of the resulting model is presented.
Keywords: OpenModelica, simulation, cooling system.
Жидкостный контур охлаждения находит свое применение для решения широкого спектра задач - от регулирования температуры в радиоэлектронных приборах до обеспечения тепловых режимов космических аппаратов. Конструктивно простейший контур представляет собой два теплообмен-ных аппарата, внутри которых циркулирует жидкий теплоноситель. Один теплообменный аппарат предназначен для отвода излишнего тепла приборов или охлаждаемых конструкций, второй - для сброса отведенного тепла в окружающее пространство. В качестве теплоносителя такой системы используется жидкость с параметрами, подходящими по температурному диапазону.
Задача расчета жидкостного контура относится к поточной термодинамике. Основную сложность вызывает определение изменения температуры теплоносителя (а значит и его теплофизических свойств) при движении по контуру. Изменение температуры оказывает существенное влияние на удельные тепловые потоки, в результате чего теплообмен происходит неравномерно.
В данной работе для моделирования замкнутого жидкостного контура использована среда OpenModelica, основанная на языке Modelica. Библиотеки Modelica позволяют моделировать гидравлические, электрические, тепловые, механические и другие системы, а также их различные сочетания [1]. Элементы моделируемых систем представлены в виде отдельных блоков, которые можно соединять между собой различными способами [2].
С использованием среды OpenModelica был смоделирован замкнутый жидкостный теплооб-менный контур системы терморегулирования, состоящий из двух теплообменных аппаратов, насоса и ресивера (рис. 1). Тепло подводится в контур с помощью механизма теплопроводности от охлаждаемых приборов и сбрасывается в окружающее пространство с помощью конвекции [3].
Расчетная схема в OpenModelica состоит из следующих элементов (рис. 1). В качестве задающего элемента для потока жидкости использовался источник постоянного массового расхода (boundary1). Теплообменник для охлаждения прибора (pipe1) и радиатор (pipe2) моделируются трубами. Для моделирования прибора использовался элемент heatcapacitor1 с заданными массой и теплоемкостью. Отведенное от прибора тепло сбрасывается в окружающую среду с температурой +20 С (fixedtemperature1). Термическое сопротивление между потоком теплоносителя и источниками и стоками тепла задается элементами thermalconductor.
Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»
Рис. 1. Принципиальная схема жидкостного контура и его расчетная схема в программе OpenModelica
Для проверки модели на работоспособность решалась следующая тестовая задача. В качестве рабочего тела была использована вода с постоянными (не зависящими от температуры) теплофизиче-скими параметрами. Для охлаждаемого прибора теплоемкость 1000 Дж/кг-К, масса 1 кг. Расход теплоносителя 0,01 кг/с (вода). Для каждого из теплообменных аппаратов использовался диаметр труб 5 мм, длина трубы 0,5 м. Термическое сопротивление стенок каждого теплообменника 10 К/Вт. В качестве начальных параметров задавались температура прибора 40 °С, воды 20 °С. Температура окружающего воздуха 20 °С. Внутреннее тепловыделение прибора 100 Вт.
При решении контролировались параметры температуры прибора, а также температуры на входе и выходе из теплообменников. Результаты решения задачи представлены на рис. 2.
Время, с
Рис. 2. Изменение температуры в системе по времени
По результатам расчета можно сделать вывод о динамике изменения температуры в системе. По рис. 2 видно, что температура прибора достигла 28,8 °С через 13 минут (780 с), температуры воды на входе в теплообменный аппарат 22,9 °С, на выходе 26,0 °С.
С использованием полученной расчетной схемы возможны постановка и исследование различных вычислительных задач исследования контура. В качестве одной из таких задач было проанализировано влияние массового расхода теплоносителя на характеристики системы (рис. 3).
Рис. 3. Изменение температуры прибора при различных расходах теплоносителя
Массовый расход оказывает влияние на перепад температур, а значит и на величину тепловых потоков в системе. Чем больше будет массовый расход, тем ниже равновесная температура охлаждаемого прибора. Соответственно режимную равновесную температуру можно изменять варьированием расхода теплоносителя. Характерное падение температуры на начальном участке обусловлено низким значением температуры теплоносителя.
В работе была рассмотрена одна из самых простых систем охлаждения. Однако использованный метод позволяет рассматривать системы любой сложности.
Библиографические ссылки
1. Костюк В. Н. Гибридное моделирование. Язык Modelica // 14-th International conference on System Analysis and Information Technologies SAIT 2012, Kyiv, Ukraine, April 24, 2012. URL: http://cad.kpi.ua/attachments/141_2012_010s.pdf (дата обращения: 10.03.2016).
2. Elmqvist H., Tummescheit H., Otter M. Object-Oriented Modeling of Thermo-Fluid Systems // Modelica 2003 Conference, Linkoping, November 2003. URL: www.modelica.org/events/Conference2003/ papers/h40_Elmqvist_fluid.pdf (дата обращения: 10.03.2016).
3. Delcov A. V., Hodenkov A. A., Zhuikov, D. A. Mathematical modeling of single-phase thermal control system of the spacecraft // 12th International Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE), 2014. URL: http://dx.doi.org/10.1109/apeie.2014.7040754 (дата обращения: 10.03.2016).
© Делков А. В., Шевченко Ю. Н., 2016
