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本案例是以(yi)一維熱流體系統仿真軟件Flownex為核心(xin)，利用其內嵌(qian)的(de)部件模(mo)塊，如管道、閥(fa)門、泵、壓縮機、換熱器、PID控制器等搭建了和實驗(yan)管網系統完全相(xiang)同的(de)數(shu)字(zi)孿生體。

在(zai)太陽(yang)能光熱(re)(re)發電系統中(zhong)，超臨界二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)布(bu)雷(lei)頓(dun)循環(huan)受到(dao)各(ge)國的(de)(de)關(guan)注和(he)研(yan)究(jiu)。這種技術用超臨界狀(zhuang)態的(de)(de)二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)作(zuo)為工質的(de)(de)渦(wo)輪(lun)(lun)發動機熱(re)(re)循環(huan)，超臨界狀(zhuang)態的(de)(de)二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)在(zai)經過壓(ya)氣(qi)(qi)機壓(ya)縮(suo)后(hou)，由(you)外部熱(re)(re)源加(jia)熱(re)(re)，加(jia)熱(re)(re)后(hou)的(de)(de)高溫(wen)(wen)超臨界二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)驅動渦(wo)輪(lun)(lun)，由(you)渦(wo)輪(lun)(lun)驅動壓(ya)氣(qi)(qi)機和(he)對外輸出功率(lv)，作(zuo)功之后(hou)的(de)(de)二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)再(zai)回到(dao)壓(ya)氣(qi)(qi)機再(zai)被壓(ya)縮(suo)，如此循環(huan)往復。超臨界二氧(yang)(yang)化(hua)(hua)碳(tan)(tan)(tan)(tan)布(bu)雷(lei)頓(dun)循環(huan)的(de)(de)優勢是它(ta)僅(jin)需外界提供500到(dao)800℃的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)，利用太陽(yang)能聚光器(qi)和(he)吸熱(re)(re)器(qi)技術就能很容易達到(dao)這樣的(de)(de)溫(wen)(wen)度(du)。

由(you)于超(chao)臨界二(er)氧化碳循(xun)環在(zai)極高(gao)的(de)壓(ya)力下運行(xing)，系統的(de)微小參數波動都有可(ke)能造成(cheng)不可(ke)預知的(de)事故。這對控制系統提出了(le)嚴苛要求。為(wei)了(le)應對這一挑戰，印度科技學院建立(li)了(le)該(gai)系統的(de)實驗系統（圖1）。

圖1：超(chao)臨界二(er)氧化(hua)碳(tan)循(xun)環(huan)實驗(yan)管網系(xi)統

為(wei)了實(shi)現(xian)對控制(zhi)過程的(de)(de)動態(tai)仿真，印(yin)度科技學(xue)院(yuan)開發了基于物理(li)機(ji)理(li)的(de)(de)數字(zi)孿(luan)(luan)生體。該數字(zi)孿(luan)(luan)生體以一維熱流體系(xi)統仿真軟件Flownex為(wei)核(he)心，利用其內嵌(qian)的(de)(de)部件模塊，如管道、閥門、泵、壓縮(suo)機(ji)、換(huan)熱器、PID控制(zhi)器等搭建了和實(shi)驗(yan)管網系(xi)統完全相同(tong)的(de)(de)數字(zi)孿(luan)(luan)生體（圖(tu)2）。

圖2：Flownex搭建的超臨界二氧化(hua)碳循環仿真系統

Flownex具有強大的(de)(de)仿真(zhen)(zhen)(zhen)能力，可計(ji)算(suan)氣體、液體、兩(liang)相(xiang)流(liu)的(de)(de)流(liu)動、傳熱(re)和(he)相(xiang)變(bian)過(guo)程(cheng)。超臨界二(er)氧化(hua)碳的(de)(de)物(wu)性(xing)變(bian)化(hua)很(hen)劇烈，Flownex內嵌的(de)(de)物(wu)性(xing)庫(ku)里(li)加入(ru)了超臨界二(er)氧化(hua)碳的(de)(de)完整數據，可以模擬(ni)過(guo)冷、過(guo)熱(re)、兩(liang)相(xiang)混合各(ge)(ge)個(ge)區(qu)間(jian)的(de)(de)物(wu)性(xing)變(bian)化(hua)（圖3）。此外，Flownex還(huan)分析(xi)快速(su)(su)變(bian)化(hua)及慢速(su)(su)變(bian)化(hua)的(de)(de)動態過(guo)程(cheng)；能夠計(ji)算(suan)流(liu)體和(he)固體間(jian)的(de)(de)熱(re)交(jiao)換，計(ji)算(suan)系統(tong)各(ge)(ge)元件的(de)(de)壓(ya)力變(bian)化(hua)和(he)換熱(re)情(qing)況；具有電氣模塊和(he)控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)模塊，可以在仿真(zhen)(zhen)(zhen)系統(tong)中(zhong)添(tian)加各(ge)(ge)種控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)元件，能夠對瞬態控(kong)制(zhi)(zhi)(zhi)過(guo)程(cheng)進行(xing)仿真(zhen)(zhen)(zhen)。

圖(tu)(tu)3：Flownex中二氧化碳的焓溫圖(tu)(tu)

在(zai)數(shu)據(ju)鏈接和人機界面方面，研究人員(yuan)采用(yong)美國國家儀(yi)器公(gong)司（NI）的硬(ying)件設(she)(she)備來控制物理實體，利用(yong)NI的LabVIEW把采集的參數(shu)通過接口(kou)傳(chuan)遞給(gei)Flownex軟件。在(zai)獲(huo)得(de)現場設(she)(she)備的實時數(shu)據(ju)后，Flownex的動態模擬就可以實現實時仿(fang)真（圖4）。

圖4：超臨界二氧化碳循環數字孿(luan)生(sheng)體的人機(ji)界面

在(zai)超臨界二氧(yang)化碳(tan)系統(tong)中，壓力遠遠高于常規的設(she)備范圍，其(qi)控制(zhi)系統(tong)的小幅度(du)調(diao)(diao)整，都會(hui)對系統(tong)產生很(hen)大影響。利用Flownex搭建的數(shu)字(zi)孿生體(ti)，研究人員能(neng)在(zai)數(shu)字(zi)孿生體(ti)中模(mo)擬各個控制(zhi)操作(zuo)引發(fa)的后果，確認其(qi)滿足調(diao)(diao)試要(yao)求(qiu)后再去操作(zuo)物理系統(tong)，從而保(bao)證了該系統(tong)的安全運行。