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本案(an)例是以一維熱(re)流(liu)體系(xi)統仿真軟件Flownex為核心，利用其(qi)內嵌(qian)的(de)部件模塊(kuai)，如管道、閥門(men)、泵、壓縮機、換熱(re)器(qi)(qi)、PID控制器(qi)(qi)等搭(da)建了和(he)實驗管網系(xi)統完全相同的(de)數(shu)字(zi)孿生(sheng)體。

在太(tai)陽(yang)能光(guang)熱(re)(re)(re)發電系統(tong)中，超(chao)臨界二(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)布(bu)雷頓循(xun)環受(shou)到(dao)各國(guo)的(de)(de)(de)(de)關注和(he)研究。這(zhe)種技(ji)術用超(chao)臨界狀(zhuang)態的(de)(de)(de)(de)二(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)作為工質(zhi)的(de)(de)(de)(de)渦(wo)輪發動機(ji)(ji)熱(re)(re)(re)循(xun)環，超(chao)臨界狀(zhuang)態的(de)(de)(de)(de)二(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)在經過壓(ya)氣機(ji)(ji)壓(ya)縮后(hou)，由外(wai)(wai)部熱(re)(re)(re)源(yuan)加熱(re)(re)(re)，加熱(re)(re)(re)后(hou)的(de)(de)(de)(de)高溫(wen)超(chao)臨界二(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)驅動渦(wo)輪，由渦(wo)輪驅動壓(ya)氣機(ji)(ji)和(he)對外(wai)(wai)輸出(chu)功率，作功之后(hou)的(de)(de)(de)(de)二(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)再(zai)(zai)回到(dao)壓(ya)氣機(ji)(ji)再(zai)(zai)被(bei)壓(ya)縮，如(ru)此循(xun)環往復。超(chao)臨界二(er)氧(yang)(yang)(yang)化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)布(bu)雷頓循(xun)環的(de)(de)(de)(de)優勢(shi)是它僅需外(wai)(wai)界提供500到(dao)800℃的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度，利用太(tai)陽(yang)能聚光(guang)器(qi)和(he)吸熱(re)(re)(re)器(qi)技(ji)術就能很容易達到(dao)這(zhe)樣(yang)的(de)(de)(de)(de)溫(wen)度。

由(you)于超臨界(jie)二氧化碳循環在(zai)極高的(de)壓力(li)下運行，系(xi)統(tong)(tong)的(de)微小(xiao)參(can)數波動都有可能造(zao)成(cheng)不可預知的(de)事故。這對(dui)控制系(xi)統(tong)(tong)提出了嚴苛要求。為了應對(dui)這一挑戰，印度科技學院建(jian)立了該系(xi)統(tong)(tong)的(de)實驗系(xi)統(tong)(tong)（圖(tu)1）。

圖1：超臨界二(er)氧化碳循環(huan)實(shi)驗管網系統

為(wei)了(le)實現對控(kong)制(zhi)過程的動態仿真(zhen)，印度科技學院開發了(le)基于(yu)物理機(ji)理的數(shu)字(zi)孿生體。該(gai)數(shu)字(zi)孿生體以一維熱(re)流體系統(tong)仿真(zhen)軟件(jian)Flownex為(wei)核心，利用其(qi)內嵌的部件(jian)模塊，如管(guan)道(dao)、閥門(men)、泵(beng)、壓縮機(ji)、換(huan)熱(re)器、PID控(kong)制(zhi)器等搭建了(le)和(he)實驗管(guan)網系統(tong)完全相同(tong)的數(shu)字(zi)孿生體（圖2）。

圖2：Flownex搭(da)建的超(chao)臨界二氧化(hua)碳(tan)循環仿真系(xi)統

Flownex具有(you)強(qiang)大的(de)仿真(zhen)(zhen)能(neng)(neng)力，可(ke)計(ji)算氣(qi)體、液體、兩相(xiang)流(liu)(liu)(liu)的(de)流(liu)(liu)(liu)動、傳熱(re)(re)和(he)相(xiang)變(bian)(bian)(bian)過程。超臨界二(er)氧(yang)(yang)化碳的(de)物(wu)性(xing)變(bian)(bian)(bian)化很劇烈，Flownex內嵌的(de)物(wu)性(xing)庫里加(jia)入了(le)超臨界二(er)氧(yang)(yang)化碳的(de)完(wan)整數據，可(ke)以(yi)模擬過冷(leng)、過熱(re)(re)、兩相(xiang)混(hun)合(he)各(ge)個區間的(de)物(wu)性(xing)變(bian)(bian)(bian)化（圖3）。此(ci)外，Flownex還分(fen)析(xi)快速變(bian)(bian)(bian)化及慢(man)速變(bian)(bian)(bian)化的(de)動態過程；能(neng)(neng)夠計(ji)算流(liu)(liu)(liu)體和(he)固體間的(de)熱(re)(re)交換(huan)，計(ji)算系(xi)統各(ge)元(yuan)件(jian)的(de)壓力變(bian)(bian)(bian)化和(he)換(huan)熱(re)(re)情況(kuang)；具有(you)電氣(qi)模塊和(he)控制(zhi)模塊，可(ke)以(yi)在仿真(zhen)(zhen)系(xi)統中添加(jia)各(ge)種控制(zhi)元(yuan)件(jian)，能(neng)(neng)夠對瞬態控制(zhi)過程進行仿真(zhen)(zhen)。

圖(tu)3：Flownex中二氧化碳的焓溫圖(tu)

在數(shu)據(ju)鏈接和人(ren)機界面(mian)方面(mian)，研究人(ren)員采(cai)用(yong)美國(guo)國(guo)家儀器公司(si)（NI）的(de)硬件(jian)設備來控制(zhi)物理(li)實(shi)(shi)體，利用(yong)NI的(de)LabVIEW把采(cai)集的(de)參數(shu)通過(guo)接口傳遞(di)給Flownex軟件(jian)。在獲(huo)得現(xian)場設備的(de)實(shi)(shi)時數(shu)據(ju)后(hou)，Flownex的(de)動態模擬就可以實(shi)(shi)現(xian)實(shi)(shi)時仿真（圖4）。

圖4：超(chao)臨界二氧化碳(tan)循環(huan)數(shu)字孿生體的人機界面

在超(chao)臨界二氧(yang)化碳系(xi)統(tong)中，壓力遠遠高于常(chang)規的(de)設備范圍，其控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)的(de)小幅度調整，都會(hui)對系(xi)統(tong)產生(sheng)(sheng)很(hen)大影(ying)響(xiang)。利用Flownex搭建的(de)數(shu)字孿(luan)生(sheng)(sheng)體(ti)(ti)，研究人員能在數(shu)字孿(luan)生(sheng)(sheng)體(ti)(ti)中模擬(ni)各個控(kong)制(zhi)操作(zuo)引發的(de)后果，確認其滿(man)足調試要求后再去操作(zuo)物理系(xi)統(tong)，從(cong)而(er)保(bao)證了該系(xi)統(tong)的(de)安全(quan)運行(xing)。