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张麟博士:CFD让我在国产暖通洁净工程扬帆起航(12/22)

发表时间: 2021-06-11 16:24:27

作者: 中源广科

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作者 | 张麟博士  仿真秀专栏作者

首发 | 仿真秀App

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导读:当中国制造从粗糙的密集型代工向高精尖高端制造迈进的过程中,工业软件尤其是设计类工业软件在制造业的需求也变得尤为重要。从某种角度上来说,中国面临工业软件危机,是国内工业升级转型进入到深水区的典型特征。
做为一个CFD领域的创业者,我本人是从3个人的小团队开始的。切入的领域是暖通内的一个细分领域洁净工程。洁净工程涉及的范围比较广,用于电子信息生产环境的无尘车间、实验室中的恒温恒湿环境、医院的各种手术室和药房、生物制药和食品、化工等的生产环境等等。
以空气气流组织、温湿度控制、粒子控制等为特征的低速空气流动的仿真计算在CFD上具有同样的基础特性,这也使得我们的软件几乎可以覆盖整个暖通领域。
2017年以来,国内一些优秀的民营企业也开始重视气流仿真在工业设计、厂房设计等方面的作用,并加大了在CFD上的投入。这也使得我们这样一个以为民营企业为主要服务对象的CFD软件公司能够存活下来。
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▲图1-1中源广科LOGO
、CFD充满挑战、遍布乐趣
CFD是Computational Fluid Dynamics的简称。也就是计算流体力学。CFD的范围很广,方程类型也涉及很多,例如在计算超音速流时,我们面对的可能是波方程,在跨音速时,我们又得处理混合型方程。同时,在边界附近还有普朗特方程。 
总之,流体力学是非常复杂的一门学科。可以这样说,如果人类解决了流体力学问题,世界上的难题都将迎刃而解。 
我们主要针对的是暖通问题的CFD计算。我们主要处理的就是Navier-Stokes 方程(简称NS方程)。在低速(通常0.1马赫以下)情况下,计算NS是我们软件的主要功能。即使在这样的看起来很简单普通的情况下,NS方程的计算也会因为几何的复杂和边界条件的问题让人类束手无策。这大约就是流体力学的魅力。
CFD是充满挑战、遍布乐趣的学科,如果哪位大学生朋友觉得自己智力超群,大可以在这个领域里一试身手。 
二、工程应用举例
我们的客户主要是中小型的民营企业。我在苏州,2016年开始创业的时候,很多人不知道气流仿真是做什么的。但是短短5年的时间,我身边的企业家们都开始认识并重视上了气流仿真。
这也是我为什么说,我们国家的制造业真的起来了的原因。我们应该为工业软件的问题的出现而高兴。因为,不到深水区,是不会有潜水衣的需求的。
1、无尘室内的设备暖通布置的应用
无尘室本身就是空调系统,新风系统,过滤系统等多方面空气设备的综合呈现。那么在无尘室内,又布置新的设备,新风系统、供风排风系统又该如何配置呢?
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▲图2-1 某无尘室内设备布置温度分布云图 

图2 显示了一个厂房内布置7台设备的某一个方案的仿真温度云图。该厂房内的温度要求在25摄氏度以下。由于设备发热,需要布置空调和回风系统对设备局部温度调节。这里面有几个难点:

  • (1)保证无尘室等级所要求的空气质量和气流结构要求
  • (2)保证设备附近的设备生产的要求
  • (3)设备与设备之间是无隔断的,而设备与设备之间又不允许有干扰。
  • (4)设备生产对空气质量的要求
  • (5)在满足要求的情况下,尽量放置最多的设备

这五点结合起来,就不是简单的,通过通量的流量和能量计算就能完成的。因为这里涉及到了气流组织和气流结构的问题。
2、集装箱储能系统的仿真应用
集装箱储能系统(CESS)是针对移动储能市场的需求开发的集成化储能系统,内部集成了电池柜,电池管理系统,空调系统,各类管道,以及环境控制系统。由于电池组发热导致的散热问题以及外部环境的影响,使得集装箱储能系统的整体气流结构和热组织是属于热流传质的结构性问题。设计上的优劣差别,将直接导致运营成本的极大的差异。

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图2-2集装箱储能系统温度分布云图
由于储能系统是长期使用的高发热的系统,需要对气流结构做整体的优化布置,同时也需要考虑长期的稳定性等问题,在储能系统设计中,我们会面临以下几个问题:

  • (1)整体气流结构和空调暖通配置需要满足恒温要求
  • (2)因为电力故障导致的空调不能正常工作情况下,系统的制冷效果的分析
  • (3)系统内部非电池组部分的其他设备,因长期稳定运行需要额定的工作温度环境

这些工作需要对设计进行多方面的验证和测试,并进行优化设计。而在流体仿真软件中分析是最为节约高效的方式。 
接下来我们来学习一下。基于气流仿真的储能变流器预制舱设计验证

储能变流器预制舱的设计过程中,往往以结构设计为主,通过工程师经验来设计制冷和空调布置、管道设计等工作。因为对热管理的粗略了解而加大了制冷和供风的能量供给,一方面大大增加了制造成本,另一方面也和设备的额定功率等不匹配,从而影响使用寿命。

通过气流仿真软件,可以进行设计方案验证。在设计阶段就可以借助可视化工具,非常清晰的洞悉温度和热的分布和运行状态。本案例是采用山东泰开提供的一个实际工程案例。感谢山东泰开授权我们可以公开信息。

设备的温度需求是不高于35℃,而实际的制冷量的制冷效果远远大于了设备的需求。

① 基本结构

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图2-3 储能变流器预制舱结构设计图

图2-3所示为储能变流器预制舱结构设计图,简单的上送下回结构。控制设备参数:

  • 供风4台风机,风量4000立方每小时
  • 2台空调,制冷功率20kw每台,风量4000立方每小时

② 简化模型

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图2-4  储能变流器预制舱简化模型图

  • 设备以方体替代
  • 供风以流量计算的封面替代

③ 设计验证

  • 底板50cm处温度分布

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图2-5  储能变流器预制舱温度分布图

如图2-5所示,整个图示的切面,颜色在绿色到蓝色区间。也就是26℃以下的温度范围。

  • 设备中部温度分布

图片图2-6  储能变流器预制舱中部温度分布图

图2-6所示为水平切面和垂直切面,整体温度在28℃以下。高温区主要在设备上部,机柜内部部分。

  • 高温区分布

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图2-7 储能变流器预制舱高温区分布图

高温区,在27-28℃左右,图2-7中黄色的网格区域,是该范围的温度分布区。

  • 高温区和低温区分布

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图2-8 储能变流器预制舱温度分布图

高温区与低温区分布:黄色部分为27℃以上高温区浅色部分为24℃以下低温区

  • 气流分布

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图2-9  储能变流器预制舱气流分布图

④ 结论

通过仿真计算,空调的功率和风机的功率已经远大于实际温控要求。

气流仿真计算,是根据实际的物理方程,通过科学计算求解方程之后,获取全方位的热管理信息。可以满足各级别的需求,解决客户的五大问题:

  • 为产品设计和工程设计提供设计验证,以确定设计在传热学上的合理性
  • 通过对故障设备的模拟,来分析故障问题和制冷问题
  • 可以针对不同的供应商设备提供的参数进行分析,辅助设备选型
  • 优化设备和结构布局规划
  • 模拟产品和设备在不同配置环境下的工作情况

3、数据中心空调配置设计的应用
数据中心是作为高性能计算和城市大脑的核心计算能力中心。在未来科技和生产生活中占有极其重要的位置。未来,我们的主要计算力将由数据中心提供。数据中心,是长期运营,对稳定性和经济性要求非常高的系统。最大的开支就是电力开支。其中制冷的电力开支占有很大的比重。如果能节约哪怕1%,长时间的社会效益都将非常巨大。
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▲图2-10-数据中心温度分布云图

数据中心暖通配置设计中,需要考虑多方面的问题:

  • (1)整体的暖通布局需要满足服务器运营需求
  • (2)节能的需求
  • (3)当出现电力故障时,服务器运行环境的分析
  • (4)在故障时,应急方案的设计
  • (5)配套设施和环境的布局分析

使用气流仿真分析对设计进行优化,可以极大的提升效率,并带来能源上的庞大的节约。目前,我们所参与的设计方案,暖通上的节能基本都达到了30%以上。这在其他方面是不可想象的。从另一些角度,也说明了,在数据中心设计上,我们需要真正的引入气流仿真工具,将仿真的设计验证作为一个基础的工具去使用。
三、写在最后-我的CFD暖通公开课
在这五年对客户服务的过程中,我们深深的体会到气流仿真在工业环境设计上的巨大的作用。有企业做过一份调查,设计上的成本通常只占5%左右,但是却决定了70%的成本。
使用气流仿真软件,可以做以下五个主要内容:

  • (1)设计验证和概念设计
  • (2)分析设备故障问题所带来的对运行环境的影响
  • (3)通过不同工况的设置,用以对硬件进行选型
  • (4)对气流结构进行优化和布局规划
  • (5)外部配套设施的模拟分析和优化 

2020年12月22日,受仿真秀平台邀请,我将在2020理工科学子有限元学习周公开直播《国产暖通CFD软件Clabso软件引用与CFD分析方法》,欢迎报名,报名后可反复观看,还可以领取2020-2021理工科学子仿真学习包。


张麟博士:CFD让我在国产暖通洁净工程扬帆起航(12/22)
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