Численное моделирование замкнутого охлаждающего контура с применением среды OpenModelica Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Секция

«МОДЕЛИРОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ И ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В МАШИНАХ И АППАРАТАХ»

УДК 629

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ЗАМКНУТОГО ОХЛАЖДАЮЩЕГО КОНТУРА С ПРИМЕНЕНИЕМ СРЕДЫ OPENMODELICA

А. В. Делков, А. А. Ходенков, А. В. Приходько, П. В. Широких

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: [email protected]

Рассматривается вопрос численного моделирования замкнутого контура системы жидкостного охлаждения с применением среды OpenModelica. Приводится описание элементного состава контура и его расчетной модели. Рассматриваются особенности моделирования и полученные результаты.

Ключевые слова: замкнутый контур, численное моделирование, OpenModelica, охлаждающая система.

NUMERICAL SIMULATION OF THE CLOSED COOLING LOOP SYSTEM USING THE OPENMODELICA ENVIRONMENT

A. V. Delkov, A. A. Khodenkov, A.V. Prikhodko, P.V. Shirokih

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email protected]

This paper covered the question of the numerical simulation of the closed loop liquid cooling system using an object-oriented language Modelica. The description of the elemental composition of the contour and its design model is presented. The features of the simulation and the obtained results are considered.

Keywords: closed loop, numerical simulation, OpenModelica, cooling system.

Создание расчетных моделей и их численное исследование являются неотъемлемым этапом проектирования современных тепловых технических систем. Особенностью таких систем, которую необходимо учитывать при расчетах, является необходимость оценки энергетического баланса для всех составных элементов и системы в целом. Наиболее часто встречающаяся задача - контроль температуры. В связи со сложностью таких систем данная задача вызывает значительные трудности при расчете, так как температура зависит от множества параметров системы.

При моделировании тепловых технических систем широко применяются различные программные средства и расчетные пакеты, что позволяет значительно сократить сроки расчетов, повысить точность, всесторонне исследовать систему с оценкой влияния различных влияющих факторов. В настоящей работе рассматривается численное моделирование замкнутого жидкостного контура охлаждения с применением среды OpenModelica.

Жидкостный контур охлаждения предназначен для переноса тепла от объектов охлаждения в окружающее пространство за счет механизма теплообмена с потоком жидкого теплоносителя.

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 1

Конструктивно простейший жидкостный контур представляет собой два теплообменных аппарата (рис. 1). Один теплообменный аппарат предназначен для отвода излишнего тепла приборов или охлаждаемых конструкций, второй - для сброса отведенного тепла в окружающее пространство. Для обеспечения циркуляции теплоносителя предназначен питательный насос. Запас теплоносителя в контуре обеспечивается с помощью ресивера. В качестве теплоносителя такой системы используется жидкость с параметрами, подходящими по температурному диапазону.

Рис. 1. Принципиальная схема жидкостного контура

Задача расчета жидкостного контура относится к поточной термодинамике. Основную сложность вызывает определение изменения температуры теплоносителя (а значит и его тепло-физических свойств) при движении по контуру. Изменение температуры оказывает существенное влияние на удельные тепловые потоки, в результате чего теплообмен происходит неравномерно.

Охлаждающий жидкостный контур в такой постановке успешно может быть смоделирован с использованием объектно-ориентированного языка Modélica [1]. В данной работе для моделирования жидкостного контура использована среда OpenModelica, основанная на языке Modélica. Течение жидкости с теплообменом моделируется с использованием библиотеки Modelica.Fluid. Охлаждаемый прибор и граничные условия по тепловым потокам задавались с помощью библиотеки Modelica.Thermal [2; 3]. Одним из существенных преимуществ такого подхода является возможность учета и анализа нестационарных тепловых процессов при изменении по времени внешних нагрузок.

С применением OpenModelica становится возможным исследовать влияние различных конструктивных и режимных параметров на производительность контура. В качестве одной из тестовых задач численного моделирование было проанализировано влияние теплоемкости охлаждаемого прибора на характеристики системы. На рис. 2. представлены результаты изменения температуры охлаждаемого прибора по времени для трех различных значений его теплоемкости (произведение удельной теплоемкости и массы cm = 1 000, 5 000, 20 000 Дж/К). Расчетное время моделирования составило 5 000 с. В качестве циклограммы нагрузки была задана следующая: в момент времени 0...2 500 с тепловыделение прибора составляет 100 Вт, в момент времени 2 500.5 000 с тепловыделение прибора отсутствует. В начальный момент времени температура прибора равна + 20 °С.

Полученные результаты позволяют установить, что от теплоемкости зависит время выхода на режим и диапазон изменения температур охлаждаемого прибора. Для случая cm = 1 000 Дж/K равновесие прибора наступило в момент (1000 с). При этом равновесная температура составила +34,48 °С. Для случая cm = 5 000 Дж/K равновесие прибора наступило в момент (2000 с) с аналогичной расчетной температурой. Для случая cm = 20 000 Дж/K в момент выключения нагрузки (2 500 с) прибор не пришел в состояние теплового равновесия, его температура составила +33,08 °С.

При снятии нагрузки в момент времени 2 500.5 000 с процесс изменения температуры охлаждаемого прибора также зависит от теплоемкости. Для первых двух расчетных случаев температура вернулась к начальному значению +20 °С, но за различное время. Для третьего случая в момент 5 000 с равновесие также не было достигнуто.

Секция «Моделирование физико-механических и тепловых процессов в машинах и аппаратах»

о

ф з са

CL

Е

Time, s

Рис. 2. Зависимость температуры охлаждаемого прибора по времени от теплоемкости

Таким образом, с использованием численного моделирования контура охлаждения можно получить значения температур охлаждаемого прибора для различных моментов времени. В целом результаты тестовой задачи хорошо согласуются с физической постановкой, а значит, модель может быть использована для дальнейших исследований.

В работе была рассмотрена одна из самых простых систем охлаждения. Однако использованный метод позволяет рассматривать системы любой сложности. Программа может быть использована для расчета параметров контура и для проведения его многовариантной оптимизации.

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: 10.03.2017).

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/Conference 2003/papers/h40_Elmqvist_fluid.pdf (дата обращения: 10.03.2017).

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: 10.03.2017).

© Делков А. В., Ходенков А. А., Приходько А. В., Широких П. В., 2017