本案例是以一维热流体系统仿真软件Flownex为核心，利用其内嵌的部件模块，如管道、阀门、泵、压缩机、换热器、PID控制器等搭建了和实验管网系统完全相同的数字孪生体。
在太阳能光热发电系统中，超临界二氧化碳布雷顿循环受到各国的关注和研究。这种技术用超临界状态的二氧化碳作为工质的涡轮发动机热循环，超临界状态的二氧化碳在经过压气机压缩后，由外部热源加热，加热后的高温超临界二氧化碳驱动涡轮，由涡轮驱动压气机和对外输出功率，作功之后的二氧化碳再回到压气机再被压缩，如此循环往复。超临界二氧化碳布雷顿循环的优势是它仅需外界提供500到800℃的温度，利用太阳能聚光器和吸热器技术就能很容易达到这样的温度。
由于超临界二氧化碳循环在极高的压力下运行，系统的微小参数波动都有可能造成不可预知的事故。这对控制系统提出了严苛要求。为了应对这一挑战，印度科技学院建立了该系统的实验系统（图1）。
图1 超临界二氧化碳循环实验管网系统
为了实现对控制过程的动态仿真，印度科技学院开发了基于物理机理的数字孪生体。该数字孪生体以一维热流体系统仿真软件Flownex为核心，利用其内嵌的部件模块，如管道、阀门、泵、压缩机、换热器、PID控制器等搭建了和实验管网系统完全相同的数字孪生体（图2）。
图 2 Flownex搭建的超临界二氧化碳循环仿真系统
Flownex具有强大的仿真能力，可计算气体、液体、两相流的流动、传热和相变过程。超临界二氧化碳的物性变化很剧烈，Flownex内嵌的物性库里加入了超临界二氧化碳的完整数据，可以模拟过冷、过热、两相混合各个区间的物性变化（图3）。此外，Flownex还分析快速变化及慢速变化的动态过程；能够计算流体和固体间的热交换，计算系统各元件的压力变化和换热情况；具有电气模块和控制模块，可以在仿真系统中添加各种控制元件，能够对瞬态控制过程进行仿真。
图 3 Flownex中二氧化碳的焓温图
在数据链接和人机界面方面，研究人员采用美国国家仪器公司（NI）的硬件设备来控制物理实体，利用NI的LabVIEW把采集的参数通过接口传递给Flownex软件。在获得现场设备的实时数据后，Flownex的动态模拟就可以实现实时仿真（图4）。
图 4 超临界二氧化碳循环数字孪生体的人机界面
在超临界二氧化碳系统中，压力远远高于常规的设备范围，其控制系统的小幅度调整，都会对系统产生很大影响。利用Flownex搭建的数字孪生体，研究人员能在数字孪生体中模拟各个控制操作引发的后果，确认其满足调试要求后再去操作物理系统，从而保证了该系统的安全运行。
作者简介
安世亚太公司仿真业务部总经理，中国化工学会过程模拟及仿真专业委员会委员。长期从事计算机辅助设计（CAE）软件的技术支持、项目咨询和产品管理工作，在仿真软件（Fluent，CFX，Flownex，Twinmesh，Rocky等）的技术应用方面积累了丰富的经验。（ 作者：杨振亚）
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