基于Dymola的汽车空调系统性能仿真分析
汪本源*，武卫东#，王烽先，朱群东，黄逸宸
上海理工大学能源与动力工程学院，上海
收稿日期：2023年3月30日；录用日期：2023年5月24日；发布日期：2023年5月31日
摘要
为了解决汽车空调系统仿真涉及多领域耦合的问题，本文运用Dymola仿真非因果性建模、层级化建模、多领域建模等特点，搭建了一套汽车空调系统仿真模型，与实验数据对比分析了不同极端工况及多参数变化下仿真计算的准确性，利用仿真模型定量分析了不同因素对系统性能的影响。结果表明：仿真计算得到的换热性能与对应实验值之间的平均误差在±7%以内；车内环境温度每升高1℃、蒸发器进风风量每增加50m3/h、车外换热器进风风速每增加0.5m/s或车外环境温度每降低1℃，制冷量分别提高了2.4%、1.9%、0.4%、0.8%；系统能效比分别提高了1.6%、6.3%、4.0%和3.1%。
关键词
汽车空调，Dymola，系统仿真，性能分析
PerformanceSimulationAnalysisofAutomobileAirConditioningSystemBasedonDymola
BenyuanWang*,WeidongWu#,FengxianWang,QundongZhu,YichenHuang
SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai
Received:Mar.30th,2023;accepted:May24th,2023;published:May31st,2023
ABSTRACT
Tosolvetheproblemofmulti-domaincouplinginvolvedinthesimulationofautomobileairconditioningsystem,thispaperwasusedDymolasimulationnon-causalmodeling,hierarchicalmodeling,multi-domainmodelingandothercharacteristicstobuildasetofautomobileairconditioningsystemsimulationmodel.Comparedwiththeexperimentaldata,theaccuracyofthesimulationcalculationunderdifferentextremeconditionsandmulti-parameterchangecoveragewasanalyzed,andtheinfluenceofdifferentfactorsonthesystemperformancewasquantitativelyanalyzedbyusingthesimulationmodel.Theresultsshowedthattheaverageerrorbetweenthesimulatedheattransferperformanceandthecorrespondingexperimentalvaluewaswithin±7%.Thecoolingcapacityincreasedby2.4%,1.9%,0.4%,and0.8%respectively,whenthein-vehicleambienttemperatureroseby1C,theevaporatorairflowrateincreasedby50m3/h,theexternalheatexchangerairvelocityincreasedby0.5m/sortheexternalambienttemperaturedecreasedby1C.Additionally,thesystemcoefficientofperformanceisimprovedby1.6%,6.3%,4.0%,and3.1%respectively.
Keywords:AutomotiveAir-Conditioning,Dymola,SystemSimulation,PerformanceAnalysis
ThisworkislicensedundertheCreativeCommonsAttributionInternationalLicense(CCBY4.0).
1.引言
2.Dymola建模原理
Dymola简介
Dymola(全名DynamicModelingLabortry)是由瑞典Dynasim公司开发的一种基于Modelica语言面向对象的仿真软件[18]，有着非因果性、层级化建模、多领域建模等特点，被广泛应用于汽车、航空、航天等领域[19]。Dymola非因果性建模的特点，能够让其通过陈述性的方程建模，使其在保留了实际物理系统的拓扑结构的同时又不必给出一个详细的算法来表述怎么达到目标，这个特点能够在保证原系统物理方程不变的同时提高建模的效率。层级化建模的特点能够让Dymola建立的仿真模型在模块划分上非常清晰，非常合适用来为汽车系统进行模块化建模和仿真研究。
Dymola的建模机理是通过分层、组件连接和继承的方法来进行组件的搭建[20][21]。由于Dymola是基于面向对象编程的Modelica语言进行开发，子组件的搭建其基本单元是类，每个类包含成员类、变量和方程等要素，可以对很多方程进行重用，大大加快了组件编写过程。最后需要对这些子组件进行连接(既建立连接器)，一般每个连接器都包括接口定义、flow量和守恒方程等部分。
3.仿真模型搭建及验证
Figure1.Diagramofthesystem
3.1.压缩机的建模
汽车空调压缩机根据其排量是否可变，可分为：定排量和变排量压缩机。根据压缩机结构形式不同，可以分为：曲轴连杆式、斜盘式和漩涡式压缩机。本文选择电动汽车中比较常用的变排量涡旋式压缩机作为建模研究的对象。对压缩机进行建模时，压缩机模型包括制冷剂侧、机械转动侧和控制侧模型。制冷剂侧主要计算压缩机中制冷剂的热力学状态变化，机械转动侧主要计算压缩机主轴的转速和扭矩，而控制侧主要是应用于变排量压缩机中，用于控制压缩机排量变化。压缩机的效率参数(容积效率ηv，等熵效率ηis，机械效率ηeff)通常是随压缩机工作状态变化而变化的，可由实验数据拟合的压缩机转速和压比曲线得到。
3.2.膨胀阀的建模
膨胀阀作为汽车空调系统中的重要部件，主要起到节流降压以及控制制冷剂流量的作用。本文选择的膨胀阀类型为电子膨胀阀。通过输入设定的过热度，根据制冷剂的实际过热度，通过PID调节膨胀阀的开度。
式中，M为制冷剂的流量，kg/s；CD为流量系数，Cv；A为流通面积，m2；p1为进口制冷剂压力，Pa；p2为出口制冷剂压力，Pa；ρ为制冷剂密度，kg/m3；v为出口制冷剂比体积，m3/kg。
3.3.微通道平行流换热器的建模
Figure2.Diagramoftheflattubestructure
在微通道换热器内，制冷剂在多孔扁管内的流动换热情况较为复杂，制冷剂在蒸发器内的状态伴随着其物性变化分为两相区和过热区。制冷剂在冷凝器内的状态伴随着其物性变化分为过热区、两相区和过冷区。制冷剂在两相区中的传热系数a选用Shan-Chen公式[24]进行计算，在过热区和过冷区时的传热系数a则采用Ditus-Boelter公式[25]进行计算。制冷剂侧摩擦系数f则统一采用Konakov公式[26]进行计算。
Figure3.Diagramofthelouverstructure
3.4.仿真模型精度验证
Table1.Heatexchangermonomerexperimentalconditiontable
(a)质量流量(b)换热量
Figure4.Accuracyverificationofheatexchangermodel
4.结果与分析
4.1.车内蒸发器进风风量对系统性能的影响
Figure5.Theinfluenceofevaporatorinletairvolumeonthecondensation/evaporationpressureofthesystem
Figure6.Theinfluenceofinletairvolumeofevaporatoroncoolingcapacity,compressorpowerconsumptionandCOP
4.2.车外换热器迎面风速对系统性能的影响
Figure7.Theinfluenceofthefrontalwindspeedoftheexternalheatexchangeronthecondensation/evaporationpressureofthesystem
Figure8.Theinfluenceofthefrontalwindspeedoftheheatexchangeronthecoolingcapacity,compressorpowerconsumptionandCOP
4.3.车内环境温度对系统性能的影响
Figure9.Theinfluenceofinteriorenvironmenttemperatureoncoolingcapacity,compressorpowerconsumptionandCOP
4.4.车外环境温度对系统性能的影响
Figure10.Theinfluenceofambienttemperatureoncoolingcapacity,compressorpowerconsumptionandCOP
5.结论
本文针对汽车空调系统仿真涉及多领域耦合的问题，运用Dymola仿真非因果性建模、层级化建模、多领域建模等特点，搭建并验证了汽车空调系统仿真模型，研究了车内外环境温度、车外换热器迎风风速和车内蒸发器进风风量对系统性能的影响。得到如下结论：
1)换热量和质量流量作为决定系统仿真准确性的主要参数，二者的实验值与模拟值平均误差均小于7%。验证结果表明了该模型可以可靠、准确地预测实际系统，对汽车空调设计具有一定指导意义。
2)随着车内蒸发器进风风量增加，制冷量明显增加；压缩机功耗增幅较小；COP显著增加。随着车外换热器迎风风速增加，制冷量略有增加；压缩机功耗降低；COP显著增加。随着车内环境温度增加，制冷量明显增加；压缩机功耗略有增加；COP增加。随着车外环境温度上升，制冷量略有下降；压缩机功耗增大；COP下降。
3)车内蒸发器进风风量每上升50m3/h，制冷量上升8.9%；压缩机功耗上升1.9%；COP上升6.3%。车外换热器迎面风速每增加0.5m/s，制冷量上升0.4%；压缩机功耗下降3.4%；COP上升4.0%。车内环境温度每上升1℃，制冷量上升2.4%；压缩机功耗上升0.8%；COP上升1.6%。车外环境温度每下降1℃，制冷量上升0.8%；压缩机功耗下降1.9%；COP上升3.1%。
基金项目
上海市科学技术委员会优秀技术带头人计划项目(No.21XD1433400)。