Запорный клапан с портом управления, чтобы включить поток в обратном направлении
Simscape / Жидкости / Газ / Valves & Orifices / Направленные Распределительные клапаны
Блок Pilot-Operated Check Valve (G) моделирует запорный клапан с механизмом переопределения, чтобы допускать противоток, когда активировано. (Запорный клапан в свою очередь является отверстием с однонаправленным вводным механизмом, установленным, чтобы предотвратить только тот противоток.)
Механизм переопределения добавляет третий порт — пилота — к клапану. Во время нормального функционирования экспериментальный порт неактивен, и клапан ведет себя как любой другой запорный клапан. Его отверстие затем открыто только, когда градиент давления через него понижается от входного отверстия до выхода. Противоток, который требует противоположного градиента давления, не может произойти. Этот режим защищает компоненты в восходящем направлении клапана против скачков давления, температурных скачков, и (в действительных системах) химическое загрязнение, являющееся результатом точек в нисходящем направлении.
Когда противоток желаем, экспериментальный порт герметизируется и элемент управления клапана — часто, шар или поршень — обеспечены от его места. Клапан затем открыт, чтобы течь в обоих направлениях с противоположным перепадом давления (нацеленный от выхода, чтобы вставить) бывший достаточный, чтобы управлять потоком в восходящем направлении. (Место, которое находится в пути потока, определяет, открыт ли клапан. Когда это покрыто — шаром, поршнем или другим элементом управления — поток отключен, и клапан закрывается.)
Клапан открывается постепенно, начинаясь при его давлении взламывания и продолжении в конец его области значений регулирования давления. Раскалывающееся давление дает начальное сопротивление, из-за трения или пружинных сил, что клапан должен преодолеть, чтобы открыться щепкой (или взломать). Ниже этого порога закрывается клапан, и только утечка может передать. Мимо конца области значений регулирования давления клапан полностью открыт и поток в максимуме (определенный мгновенными условиями давления).
Раскалывающееся давление принимает важную роль в запорных клапанах, установленных вверх тормашками. Там, вес вводного элемента — такого как шар или поршень — и головы повышения из жидкости может действовать, чтобы открыть клапан. (Голова повышения может возникнуть в модели из канала в восходящем направлении входного отверстия, когда это вертикально или, учитывая наклон.) Достаточное давление взламывания мешает клапану открываться непреднамеренно даже если помещенный в невыгодный угол.
Поток может быть пластинчатым или бурным, и он может достигнуть (до) звуковых скоростей. Это происходит в vena contracta, точка только мимо горла клапана, где поток является и своим самым узким и самым быстрым. Поток затем дросселирует, и его скорость насыщает с понижением нисходящего давления, больше не бывшего достаточного, чтобы увеличить его скорость. Дросселирование появляется, когда отношение противодавления поражает характеристику критического значения клапана. Сверхзвуковой поток не получен блоком.
Открытие клапана зависит и от экспериментального давления и от перепада давления от входного отверстия до выхода:
где p является манометрическим давлением, и k является экспериментальным отношением — пропорция экспериментальной вводной области (S X) к клапану вводная область (S R). Нижний X
обозначает экспериментальное значение и индексы A
и B
входное отверстие и значения выхода, соответственно. Давления порта являются определенными переменными (против абсолютного нуля) во время симуляции.
Экспериментальное давление может быть дифференциальным значением относительно входного отверстия (порт A) или значение прибора (относительно среды). Можно выбрать соответствующую установку — Pressure differential (pX - pA) или Pressure at port X — использование выпадающего списка Pressure control specification. Если Pressure at port X выбран:
где нижний Atm
обозначает атмосферное значение (полученный из блока Gas Properties (G) модели). Нижний X,Abs
обозначает абсолютное значение в экспериментальном порте. Если Pressure differential (pX - pA) выбран:
где нижний A,Abs
так же обозначает абсолютное значение во входном отверстии клапана (порт A). Экспериментальный перепад давления ограничивается быть больше, чем или равным нулю — если его расчетное значение должно быть отрицательным, нуль принят в расчете давления управления.
Степень, к которой давление управления превышает раскалывающееся давление, определяет, сколько откроет клапан. Перерегулирование давления выражается здесь как часть (ширина) область значений регулирования давления:
Давление управления (p Ctl), взламывая давление (Набор p) и максимальное вводное давление (P Max) соответствует выбранной спецификации давления управления (Pressure differential
или Pressure at port A
).
Часть — технически, нормированное перерегулирование — оценена в 0
в полностью закрытом клапане и 1
в полностью открытом клапане. Если вычисление должно возвратить значение за пределами этих границ, самый близкий из этих двух используется вместо этого. (Другими словами, часть насыщает в 0
и 1
.)
Нормированные контролируют давление, p, охватывает три области давления. Ниже раскалывающегося давления клапана его значение является постоянным нулем. Выше максимального давления того же самого это - 1
. Промежуточный, это отличается, как линейная функция (эффективного) давления управления, p Ctl.
Переходы между областями резки и их прерывистые наклоны. Они ставят проблему к решателям переменного шага (вид, обычно используемый с моделями Simscape). Чтобы точно получить разрывы, упомянутые в некоторых контекстах как нулевые события пересечения, решатель должен уменьшать свой временной шаг, делая паузу кратко во время пересечения в порядке повторно вычислить его якобиевскую матрицу (представление зависимостей между переменными состояния модели и их производных времени).
Эта стратегия решателя эффективна и устойчива, когда разрывы присутствуют. Это делает решатель менее подверженным ошибкам сходимости — но это может значительно расширить время, должен был закончить запущенную симуляцию, возможно, чрезмерно так для практического применения в режиме реального времени симуляция. Альтернативный подход, используемый здесь, должен удалить разрывы в целом.
Нормированное перерегулирование давления с резкими переходами
Блок удаляет разрывы путем сглаживания их по шкале требуемого времени. Сглаживание, которое добавляет небольшое искажение в нормированное входное давление, гарантирует, что простота клапана в его ограничивающие положения, а не привязывается (резко) в них. Сглаживание является дополнительным: можно отключить его путем обнуления его масштаба времени. Форма и шкала сглаживания, когда применено, выводят частично от кубических полиномов:
и
где
и
В уравнениях:
ƛ L является выражением сглаживания для перехода от максимально закрытой позиции.
ƛ R является выражением сглаживания для перехода от полностью открытой позиции.
Δp* является (безразмерной) характеристической шириной области сглаживания давления:
где f* является фактором сглаживания, оцененным между 0
и 1
и полученный из параметров блоков того же имени.
Когда фактором сглаживания является 0
, нормированное входное давление остается в своей исходной форме — никакое примененное сглаживание — и его переходы не остается резким. Когда это - 1
, сглаживание порождает всю линейную оболочку столбцов регулирования давления (с нормированным входным давлением, принимающим форму S-кривой).
В промежуточных значениях сглаживание ограничивается частью той области значений. Значение 0.5
, например, будет сглаживать переходы более чем четверть области значений регулирования давления на каждой стороне (для общей сглаженной области половины области значений регулирования).
Сглаживание добавляет две новых области в нормированное перерегулирование давления — один для плавного перехода слева, другого для того справа, давая в общей сложности пять областей. Они выражаются в кусочной функции:
где звездочка обозначает сглаживавшую переменную (нормированное перерегулирование давления управления). Данные показывают эффект сглаживания на резкости переходов.
В то время как нормированные контролируют давление, отличается во время симуляции, также - массовая скорость потока жидкости через клапан. Отношение между этими двумя переменными, однако, является косвенным. Массовая скорость потока жидкости задана с точки зрения звуковой проводимости клапана и именно этого количества, нормированное входное давление определяет.
Звуковая проводимость, если вы незнакомы с ним, описывает простоту, с которой будет течь газ, когда это будет дросселироваться — когда его скорость в его теоретическом максимуме (локальная скорость звука). Его измерение и вычисление покрыты подробно в стандарте ISO 6358 (на котором этот блок базируется).
О только одном значении обычно сообщают в таблицах данных клапана: один взятый в устойчивом состоянии в полностью открытой позиции. Это - то же самое, заданное в параметре Sonic conductance at maximum flow, когда установкой Valve parameterization является Sonic conductance
. Для значений через вводную область значений клапана этот максимум масштабируется нормированным перерегулированием давления:
где C является звуковой проводимостью и индексами, Max
и Min
обозначают свои значения в полностью открытом и полностью закрытом клапане.
Поскольку звуковая проводимость не может быть доступной (или самый удобный выбор для вашей модели), блок обеспечивает несколько эквивалентной параметризации. Используйте Valve parameterization выпадающий список, чтобы выбрать лучшее для данных под рукой. Параметризация:
Restriction area
Sonic conductance
Cv coefficient (USCS)
Kv coefficient (SI)
Параметризация отличается только по данным, которых они требуют вас. Их массовые вычисления скорости потока жидкости все еще основаны на звуковой проводимости. Если вы выбираете параметризацию кроме Sonic conductance
, то блок преобразовывает альтернативные данные — (вычисленную) вводную область или (заданный) коэффициент потока — в эквивалентную звуковую проводимость.
Коэффициенты потока измеряют то, что является, в основе, тем же количеством — скорость потока жидкости через клапан в некоторых согласованных температурный и перепад давления. Они отличаются только по стандартным условиям, используемым в их определении и в физических единицах измерения, используемых в их выражении:
C v измеряется при общепринятой температуре 60 ℉
и перепаде давления 1 PSI
; это выражается в имперских модулях US gpm
. Это - коэффициент потока, используемый в модели, когда параметры блоков Valve parameterization установлены в Cv coefficient (USCS)
.
K v измеряется при общепринятой температуре 15 ℃
и перепаде давления 1 bar
; это выражается в метрических модулях m3/h
. Это - коэффициент потока, используемый в модели, когда параметры блоков Valve parameterization установлены в Kv coefficient (SI)
.
Если параметризация клапана установлена в Cv Coefficient (USCS)
, звуковая проводимость вычисляется в максимально закрытых и полностью открытых положениях клапана из параметров блоков Cv coefficient (SI) at leakage flow и Cv coefficient (SI) at maximum flow:
где C v является содействующим значением потока в максимальной или утечке. Дозвуковой индекс, m, установлен в 0.5
, и критическое отношение давления, b cr, установлено в 0.3
. (Они используются в массовых вычислениях скорости потока жидкости, данных в разделе Momentum Balance.)
Если параметризация Kv coefficient (SI)
используется вместо этого, звуковая проводимость вычисляется в тех же положениях клапана (максимально закрытый и полностью открытый) от параметров блоков Kv coefficient (USCS) at leakage flow и Kv coefficient (USCS) at maximum flow:
где K v является содействующим значением потока в максимальной или утечке. Дозвуковой индекс, m, установлен в 0.5
, и критическое отношение давления, b cr, установлено в 0.3
.
Для параметризации Restriction area
звуковая проводимость вычисляется (в тех же положениях клапана) от Maximum opening area и параметров блоков Leakage area:
где S является вводной областью в максимальной или утечке. Дозвуковой индекс, m, установлен в 0.5
, в то время как критическое отношение давления, b cr вычисляется из выражения:
Причины того падения давления, понесенного в проходах клапана, проигнорированы в блоке. Безотносительно их характеров — внезапных изменений области, искривлений прохода потока — только их совокупный эффект рассматривается во время симуляции. Этот эффект принят, чтобы отразиться полностью в звуковой проводимости клапана (или в данных альтернативной параметризации клапана).
Когда поток дросселируется, массовая скорость потока жидкости является функцией звуковой проводимости клапана и термодинамических условий (давление и температура), установленное во входном отверстии. Функция линейна относительно давления:
где:
C является звуковой проводимостью в клапане. Его значение получено из параметров блоков того же имени или преобразованием других параметров блоков (точный источник в зависимости от установки Valve parameterization).
ρ является плотностью газа, здесь при стандартных условиях (преобразуйте в нижний индекс 0
), полученный из параметров блоков Reference density.
p является абсолютным давлением газа, здесь соответствуя входному отверстию (in
).
T является температурой газа во входном отверстии (in
) или при стандартных условиях (0
), последний, полученный из параметров блоков Reference temperature.
Когда поток является дозвуковым, и поэтому больше не дросселируемый, массовая скорость потока жидкости становится нелинейной функцией давления — оба это во входном отверстии, а также уменьшаемое значение при выходе. В режиме турбулентного течения (с давлением выхода, содержавшимся в отношении противодавления клапана), массовое выражение скорости потока жидкости:
где:
p r является отношением противодавления, или что между давлением выхода (p) и входным давлением (p в):
b cr является критическим отношением давления, в котором поток становится дросселируемым. Его значение получено из параметров блоков того же имени или преобразованием других параметров блоков (точный источник в зависимости от установки Valve parameterization).
m является дозвуковым индексом, эмпирический коэффициент, используемый, чтобы более точно охарактеризовать поведение дозвуковых потоков. Его значение получено из параметров блоков того же имени или преобразованием других параметров блоков (точный источник в зависимости от установки Valve parameterization).
Когда поток является пластинчатым (и все еще дозвуковым), массовые изменения выражения скорости потока жидкости в:
где бегство b является критическим отношением давления в который переходы потока между пластинчатыми и бурными режимами (полученный из параметров блоков Laminar flow pressure ratio). При объединении массовых выражений скорости потока жидкости в одну (кусочную) функцию, дает:
с верхней строкой, соответствующей дозвуковому и ламинарному течению, средней строке к дозвуковому и турбулентному течению и нижнему ряду к дросселируемому (и поэтому звуковой) поток.
Объем жидкости в клапане, и поэтому масса того же самого, приняты, чтобы быть очень маленькими, и это, для моделирования целей, проигнорированных. В результате никакое количество газа не может накопиться там. Принципом сохранения массы массовая скорость потока жидкости в клапан через один порт должна поэтому равняться этому из клапана через другой порт:
где задан как массовая скорость потока жидкости в клапан через порт A или B. Обратите внимание на то, что в этом блоке поток может достигнуть, но не превысить звуковые скорости.
Клапан моделируется как адиабатический компонент. Никакой теплообмен не может произойти между газом и стеной, которая окружает его. Никакие работа сделана на или газом, когда это пересекает от входного отверстия до выхода. С этими предположениями энергия может течь адвекцией только через порты A и B. Принципом сохранения энергии сумма энергетических потоков порта должна затем всегда равняться нулю:
где ϕ задан как энергетическая скорость потока жидкости в клапан через один из портов (A или B).