Translational Mechanical Converter (MA)

Интерфейс между сырым воздухом и механическими поступательными сетями

Библиотека:
Simscape / Библиотека Основы / Сырой Воздух / Элементы

Описание

Блок Translational Mechanical Converter (MA) моделирует интерфейс между сырой воздушной сетью и механической поступательной сетью. Блок преобразует сырое давление воздуха в механическую силу и наоборот. Можно использовать его в качестве базового блока для линейных приводов.

Конвертер содержит переменный объем сырого воздуха. Давление и температура развивается на основе сжимаемости и тепловой способности этого сырого воздушного объема. Жидкая вода уплотняет из сырого воздушного объема, когда это достигает насыщения.

Если Mechanical orientation установлен в Positive, увеличение сырого воздушного объема в конвертере приводит к прямому вытеснению порта R относительно порта C. Если Mechanical orientation установлен в Negative, увеличение сырого воздушного объема приводит к отрицательному смещению порта R относительно порта C.

Уравнения блока используют эти символы. Индексы aW, и g укажите на свойства сухого воздуха, водяного пара, и проследите газ, соответственно. Нижний ws указывает на водяной пар в насыщении. Индексы AH, и S укажите на соответствующий порт. Нижний I указывает на свойства внутреннего сырого воздушного объема.

$\dot{m}$	Массовая скорость потока жидкости
Φ	Энергетическая скорость потока жидкости
Q	Уровень теплового потока
p	Давление
ρ	Плотность
R	Определенная газовая константа
V	Объем сырого воздуха в конвертере
c _v	Удельная теплоемкость в постоянном объеме
h	Определенная энтальпия
u	Определенная внутренняя энергия
x	Массовая часть (x _w является удельной влажностью, которая является другим термином для части массы водяного пара),
y	Мольная доля
φ	Относительная влажность
r	Отношение влажности
T	Температура
t	Время

Уровни чистого потока в сырой воздушный объем в конвертере

$\begin{array}{l} {\dot{m}}_{n e t} = {\dot{m}}_{A} - {\dot{m}}_{c o n d e n s e} + {\dot{m}}_{w S} + {\dot{m}}_{g S} \\ Φ_{n e t} = Φ_{A} + Q_{H} - Φ_{c o n d e n s e} + Φ_{S} \\ {\dot{m}}_{w, n e t} = {\dot{m}}_{w A} - {\dot{m}}_{c o n d e n s e} + {\dot{m}}_{w S} \\ {\dot{m}}_{g, n e t} = {\dot{m}}_{g A} + {\dot{m}}_{g S} \end{array}$

где:

$\dot{m}$ _{уплотните} уровень конденсации.
Φ _{уплотняет}, уровень энергетической потери от сжатой воды.
Φ _S является уровнем энергии, добавленной источниками газа трассировки и влажности. ${\dot{m}}_{w S}$ и ${\dot{m}}_{g S}$ массовые скорости потока воды и газа, соответственно, через порт S. Значения ${\dot{m}}_{w S}$ , ${\dot{m}}_{g S}$ , и Φ _S определяется влажностью и прослеживает газовые источники, соединенные с портом S конвертера.

Сохранение массы водяного пара связывает скорость потока жидкости массы водяного пара с динамикой уровня влажности во внутреннем сыром воздушном объеме:

$\frac{d x_{w I}}{d t} ρ_{I} V + x_{w I} {\dot{m}}_{n e t} = {\dot{m}}_{w, n e t}$

Точно так же проследите газовое массовое сохранение, связывает газ трассировки массовая скорость потока жидкости с динамикой уровня газа трассировки во внутреннем сыром воздушном объеме:

$\frac{d x_{g I}}{d t} ρ_{I} V + x_{g I} {\dot{m}}_{n e t} = {\dot{m}}_{g, n e t}$

Сохранение массы смеси связывает скорость потока жидкости массы смеси с динамикой давления, температуры и массовых частей внутреннего сырого воздушного объема:

$(\frac{1}{p_{I}} \frac{d p_{I}}{d t} - \frac{1}{T_{I}} \frac{d T_{I}}{d t}) ρ_{I} V + \frac{R_{a} - R_{w}}{R_{I}} ({\dot{m}}_{w, n e t} - x_{w} {\dot{m}}_{n e t}) + \frac{R_{a} - R_{g}}{R_{I}} ({\dot{m}}_{g, n e t} - x_{g} {\dot{m}}_{n e t}) + ρ_{I} \dot{V} = {\dot{m}}_{n e t}$

где $\dot{V}$ скорость изменения объема конвертера.

Наконец, энергосбережение связывает энергетическую скорость потока жидкости с динамикой давления, температуры и массовых частей внутреннего сырого воздушного объема:

$ρ_{I} c_{v I} V \frac{d T_{I}}{d t} + (u_{w I} - u_{a I}) ({\dot{m}}_{w, n e t} - x_{w} {\dot{m}}_{n e t}) + (u_{g I} - u_{a I}) ({\dot{m}}_{g, n e t} - x_{g} {\dot{m}}_{n e t}) + u_{I} {\dot{m}}_{n e t} = Φ_{n e t} - p_{I} \dot{V}$

Уравнение состояния связывает плотность смеси с давлением и температурой:

$p_{I} = ρ_{I} R_{I} T_{I}$

Смесь определенная газовая константа

$R_{I} = x_{a I} R_{a} + x_{w I} R_{w} + x_{g I} R_{g}$

Объем конвертера

$V = V_{d e a d} + S_{int} d_{int} ε_{int}$

где:

_{Мертвый} V является мертвым объемом.
_Int S является интерфейсной площадью поперечного сечения.
_Int d является интерфейсным смещением.
_Int ε является механическим коэффициентом ориентации. Если Mechanical orientation является Positive, _int ε = 1. Если Mechanical orientation является Negative, _int ε = –1.

Баланс силы в механическом интерфейсе

$F_{int} = (p_{e n v} - p_{I}) S_{int} ε_{int}$

где:

_Int F является силой от порта R до порта C.
_ENV p является давлением среды.

Сопротивление потока и тепловое сопротивление не моделируются в конвертере:

$\begin{array}{l} p_{A} = p_{I} \\ T_{H} = T_{I} \end{array}$

Когда сырой воздушный объем достигает насыщения, конденсация может произойти. Удельная влажность в насыщении

$x_{w s I} = φ_{w s} \frac{R_{I}}{R_{w}} \frac{p_{I}}{p_{w s I}}$

где:

φ _ws является относительной влажностью в насыщении (обычно 1).
p_wsI является давлением насыщения водяного пара, оцененным в T _I.

Уровень конденсации

${\dot{m}}_{c o n d e n s e} = {\begin{array}{l} 0, & если x_{w I} \leq x_{w s I} \\ \frac{x_{w I} - x_{w s I}}{τ_{c o n d e n s e}} ρ_{I} V, & если x_{w I} > x_{w s I} \end{array}$

то, где τ _{уплотняет}, является значением параметра Condensation time constant.

Сжатая вода вычтена из сырого воздушного объема, как показано в уравнениях сохранения. Энергия, сопоставленная со сжатой водой,

$Φ_{c o n d e n s e} = {\dot{m}}_{c o n d e n s e} (h_{w I} - Δ h_{v a p I})$

где Δh _Вапи является определенной энтальпией испарения, оцененного в T _I.

Другая влажность и количества газа трассировки связаны друг с другом можно следующим образом:

$\begin{array}{l} φ_{w I} = \frac{y_{w I} p_{I}}{p_{w s I}} \\ y_{w I} = \frac{x_{w I} R_{w}}{R_{I}} \\ r_{w I} = \frac{x_{w I}}{1 - x_{w I}} \\ y_{g I} = \frac{x_{g I} R_{g}}{R_{I}} \\ x_{a I} + x_{w I} + x_{g I} = 1 \end{array}$

Переменные

Чтобы установить приоритет и начальные целевые значения для переменных в блоках до симуляции, используйте вкладку Variables в диалоговом окне блока (или раздел Variables в блоке Property Inspector). Для получения дополнительной информации смотрите Приоритет Набора и Начальную Цель для Переменных в блоках и Начальные условия для Блоков с Конечным Сырым Воздушным Объемом.

Предположения и ограничения

Преобразование регистра конвертера совершенно твердо.
Сопротивление потока между входом конвертера и сырым воздушным объемом не моделируется. Соедините блок Local Restriction (MA) или блок Flow Resistance (MA) к порту A к падению давления модели, сопоставленному с входом.
Тепловое сопротивление между портом H и сырым воздушным объемом не моделируется. Используйте Тепловые библиотечные блоки, чтобы смоделировать тепловые сопротивления между сырой воздушной смесью и средой, включая любые термальные эффекты стены емкости.
Движущийся интерфейс отлично изолируется.
Блок не моделирует механические эффекты движущегося интерфейса, такие как жесткие упоры, трение и инерция.

Порты

Вывод

развернуть все

`W` — Уровень измерения конденсации, kg/s
физический сигнал

Выходной порт физического сигнала, который измеряет уровень конденсации в конвертере.

`F` — Векторный физический сигнал, содержащий давление, температуру, влажность и данные об уровнях газа трассировки
вектор физического сигнала

Выходной порт физического сигнала, который выводит векторный сигнал. Вектор содержит давление (в Па), температура (в K), уровень влажности и измерения уровня газа трассировки в компоненте. Используйте блок Measurement Selector (MA), чтобы распаковать этот векторный сигнал.

Сохранение

развернуть все

`A` — Конвертер вставляется
сырой воздух

Сырой воздушный порт сохранения сопоставлен с входом конвертера.

`H` — Температура в конвертере
тепловой

Тепловой порт сохранения, сопоставленный с температурой сырой воздушной смеси в конвертере.

`R` — Стержень
поступательное механическое устройство

Порт механической передачи сопоставлен с движущимся интерфейсом.

`C` — Случай
поступательное механическое устройство

Порт механической передачи сопоставлен с преобразованием регистра конвертера.

`S` — Введите или извлеките влажность и проследите газ
сырой воздушный источник

Соедините этот порт с портом S блока из библиотеки Moisture & Trace Gas Sources, чтобы добавить или удалить влажность и проследить газ. Для получения дополнительной информации смотрите Используя Источники Газа Влажности и Трассировки.

Зависимости

Этот порт отображается, только если вы устанавливаете параметр Moisture and trace gas source на Controlled.

Параметры

развернуть все

Основной

`Mechanical orientation` — Выберите ориентацию конвертера
`Positive` (значение по умолчанию) | `Negative`

Выберите относительную ориентацию конвертера относительно объема сырого воздуха в конвертере:

Positive — Увеличение сырого воздушного объема приводит к прямому вытеснению порта R относительно порта C.
Negative — Увеличение сырого воздушного объема приводит к отрицательному смещению порта R относительно порта C.

`Interface cross-sectional area` — Область, на которой сырой воздух проявляет давление, чтобы сгенерировать поступательную силу
`0.01 m^2` (значение по умолчанию)

Область, на которой сырой воздух проявляет давление, чтобы сгенерировать поступательную силу.

`Interface initial displacement` — Поступательное смещение порта R относительно порта C в начале симуляции
`0 m` (значение по умолчанию)

Поступательное смещение порта R относительно порта C в начале симуляции. Значение 0 соответствует начальному сырому воздушному объему, равному Dead volume.

Зависимости

Если Mechanical orientation является Positive, значение параметров должно быть больше или быть равно 0.
Если Mechanical orientation является Negative, значение параметров должно быть меньше чем или равно 0.

`Dead volume` — Объем сырого воздуха, когда интерфейсное смещение 0
`1e-5 m^3` (значение по умолчанию)

Объем сырого воздуха, когда интерфейсное смещение 0.

`Cross-sectional area at port A` — Область, нормальная, чтобы течь путь во входе конвертера
`0.01 m^2` (значение по умолчанию)

Площадь поперечного сечения входа конвертера, в направлении, нормальном к пути к воздушному потоку.

`Environment pressure specification` — Выберите метод спецификации при давлении среды
`Atmospheric pressure` (значение по умолчанию) | `Specified pressure`

Выберите метод спецификации при давлении среды:

Atmospheric pressure — Используйте атмосферное давление, заданное блоком Moist Air Properties (MA), соединенным со схемой.
Specified pressure — Задайте значение при помощи параметра Environment pressure.

`Environment pressure` — Давление вне конвертера
`0.101325 MPa` (значение по умолчанию)

Давление вне конвертера, действующего против давления конвертера сырой воздушный объем. Значение 0 указывает, что конвертер расширяется в вакуум.

Зависимости

Enabled, когда параметр Environment pressure specification устанавливается на Specified pressure.

Влажность и газ трассировки

`Relative humidity at saturation` — Относительная влажность, выше которой происходит конденсация
1 (значение по умолчанию)

Относительная влажность, выше которой происходит конденсация.

`Condensation time constant` — Масштаб времени для конденсации
`1e-3 s` (значение по умолчанию)

Характеристический масштаб времени, в котором перенасыщенный сырой воздушный объем возвращается к насыщению путем сжатия избыточной влажности.

`Moisture and trace gas source` — Влажность модели и уровни газа трассировки
`None` (значение по умолчанию) | `Constant` | `Controlled`

Этот параметр управляет видимостью порта S и предоставляет эти возможности для моделирования влажности и уровней газа трассировки в компоненте:

None — Никакой газ влажности или трассировки введен в или извлечен из блока. Порт S скрыт. Это значение по умолчанию.
Constant — Влажность и газ трассировки введены в или извлечены из блока на постоянном уровне. Те же параметры как в Moisture Source (MA) и блоках Trace Gas Source (MA) становятся доступными в разделе Moisture and Trace Gas интерфейса блока. Порт S скрыт.
Controlled — Влажность и газ трассировки введены в или извлечены из блока на изменяющемся во времени уровне. Порт S осушен. Соедините Controlled Moisture Source (MA) и блоки Controlled Trace Gas Source (MA) к этому порту.

`Moisture added or removed` — Выберите, добавляет ли блок или удаляет влажность как водяной пар или жидкую воду
`Vapor` (значение по умолчанию) | `Liquid`

Выберите, добавляет ли блок или удаляет влажность как водяной пар или жидкую воду:

Vapor — Энтальпия добавленной или удаленной влажности соответствует энтальпии водяного пара, который больше водяного пара жидкой воды.
Liquid — Энтальпия добавленной или удаленной влажности соответствует энтальпии жидкой воды, которая меньше воды водяного пара.

Зависимости

Enabled, когда параметр Moisture and trace gas source устанавливается на Constant.

`Rate of added moisture` — Постоянная массовая скорость потока жидкости через блок
`0 kg/s` (значение по умолчанию)

Скорость потока жидкости массы водяного пара через блок. Положительное значение добавляет влажность в связанный сырой воздушный объем. Отрицательная величина извлекает влажность из того объема.

Зависимости

Enabled, когда параметр Moisture and trace gas source устанавливается на Constant.

`Added moisture temperature specification` — Выберите метод спецификации для температуры добавленной влажности
`Atmospheric temperature` (значение по умолчанию) | `Specified temperature`

Выберите метод спецификации для температуры влажности:

Atmospheric temperature — Используйте атмосферную температуру, заданную блоком Moist Air Properties (MA), соединенным со схемой.
Specified temperature — Задайте значение при помощи параметра Temperature of added moisture.

Зависимости

Enabled, когда параметр Moisture and trace gas source устанавливается на Constant.

`Temperature of added moisture` — Температура влажности
`293.15 K` (значение по умолчанию)

Введите желаемую температуру добавленной влажности. Эта температура остается постоянной в процессе моделирования. Блок использует это значение, чтобы оценить определенную энтальпию добавленной влажности только. Определенная энтальпия удаленной влажности основана на температуре связанного сырого воздушного объема.

Зависимости

Enabled, когда параметр Added moisture temperature specification устанавливается на Specified temperature.

`Rate of added trace gas` — Постоянная массовая скорость потока жидкости через блок
`0 kg/s` (значение по умолчанию)

Проследите газовую массовую скорость потока жидкости через блок. Положительное значение добавляет газ трассировки в связанный сырой воздушный объем. Отрицательная величина извлекает газ трассировки из того объема.

Зависимости

Enabled, когда параметр Moisture and trace gas source устанавливается на Constant.

`Added trace gas temperature specification` — Выберите метод спецификации для температуры добавленного газа трассировки
`Atmospheric temperature` (значение по умолчанию) | `Specified temperature`

Выберите метод спецификации для температуры газа трассировки:

Atmospheric temperature — Используйте атмосферную температуру, заданную блоком Moist Air Properties (MA), соединенным со схемой.
Specified temperature — Задайте значение при помощи параметра Temperature of added trace gas.

Зависимости

Enabled, когда параметр Moisture and trace gas source устанавливается на Constant.

`Temperature of added trace gas` — Проследите температуру газа
`293.15 K` (значение по умолчанию)

Введите желаемую температуру добавленного газа трассировки. Эта температура остается постоянной в процессе моделирования. Блок использует это значение, чтобы оценить определенную энтальпию добавленного газа трассировки только. Определенная энтальпия удаленного газа трассировки основана на температуре связанного сырого воздушного объема.

Зависимости

Enabled, когда параметр Added trace gas temperature specification устанавливается на Specified temperature.

Примеры модели

Медицинский вентилятор с моделью легкого

Моделирует положительное давление медицинская система вентилятора. Предварительно установленная скорость потока жидкости предоставляется пациенту. Легкие моделируются с Поступательным Механическим Конвертером (MA), который преобразует сырое давление воздуха в поступательное движение. Путем установки Интерфейсной площади поперечного сечения на единицу смещение в механической поступательной сети становится прокси для объема, сила становится прокси при давлении, коэффициент упругости становится прокси для дыхательной диэлектрической емкости, и коэффициент затухания становится прокси для дыхательного сопротивления.

Открытая модель

Пневматический привод с влажностью

Как Библиотекой Основы Simscape™ сырые воздушные компоненты можно пользоваться, чтобы смоделировать пневматический привод, действующий во влажной среде. Распределительный клапан является подсистемой, состоявшей из четырех Переменных Локальных Ограничений (MA) блоки, и Привод Двойного действия является подсистемой, состоявшей из двух Поступательных Механических Конвертеров (MA) блоки в противоположной механической ориентации.

Открытая модель

Документация

Translational Mechanical Converter (MA)

Описание

Переменные

Предположения и ограничения

Порты

Вывод

W — Уровень измерения конденсации, kg/s физический сигнал

F — Векторный физический сигнал, содержащий давление, температуру, влажность и данные об уровнях газа трассировки вектор физического сигнала

Сохранение

A — Конвертер вставляется сырой воздух

H — Температура в конвертере тепловой

R — Стержень поступательное механическое устройство

C — Случай поступательное механическое устройство

S — Введите или извлеките влажность и проследите газ сырой воздушный источник

Зависимости

Параметры

Основной

Mechanical orientation — Выберите ориентацию конвертера Positive (значение по умолчанию) | Negative

Interface cross-sectional area — Область, на которой сырой воздух проявляет давление, чтобы сгенерировать поступательную силу 0.01 m^2 (значение по умолчанию)

Interface initial displacement — Поступательное смещение порта R относительно порта C в начале симуляции 0 m (значение по умолчанию)

Зависимости

Dead volume — Объем сырого воздуха, когда интерфейсное смещение 0 1e-5 m^3 (значение по умолчанию)

Cross-sectional area at port A — Область, нормальная, чтобы течь путь во входе конвертера 0.01 m^2 (значение по умолчанию)

Environment pressure specification — Выберите метод спецификации при давлении среды Atmospheric pressure (значение по умолчанию) | Specified pressure

Environment pressure — Давление вне конвертера 0.101325 MPa (значение по умолчанию)

Зависимости

Влажность и газ трассировки

Relative humidity at saturation — Относительная влажность, выше которой происходит конденсация1 (значение по умолчанию)

Condensation time constant — Масштаб времени для конденсации 1e-3 s (значение по умолчанию)

Moisture and trace gas source — Влажность модели и уровни газа трассировки None (значение по умолчанию) | Constant | Controlled

Moisture added or removed — Выберите, добавляет ли блок или удаляет влажность как водяной пар или жидкую воду Vapor (значение по умолчанию) | Liquid

Зависимости

Rate of added moisture — Постоянная массовая скорость потока жидкости через блок 0 kg/s (значение по умолчанию)

Зависимости

Added moisture temperature specification — Выберите метод спецификации для температуры добавленной влажности Atmospheric temperature (значение по умолчанию) | Specified temperature

Зависимости

Temperature of added moisture — Температура влажности 293.15 K (значение по умолчанию)

Зависимости

Rate of added trace gas — Постоянная массовая скорость потока жидкости через блок 0 kg/s (значение по умолчанию)

Зависимости

Added trace gas temperature specification — Выберите метод спецификации для температуры добавленного газа трассировки Atmospheric temperature (значение по умолчанию) | Specified temperature

Зависимости

Temperature of added trace gas — Проследите температуру газа 293.15 K (значение по умолчанию)

Зависимости

Примеры модели

Медицинский вентилятор с моделью легкого

Пневматический привод с влажностью

Расширенные возможности

Генерация кода C/C++ Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.

Смотрите также

Темы

Введенный в R2018a

Документация Simscape

Поддержка

`W` — Уровень измерения конденсации, kg/s
физический сигнал

`F` — Векторный физический сигнал, содержащий давление, температуру, влажность и данные об уровнях газа трассировки
вектор физического сигнала

`A` — Конвертер вставляется
сырой воздух

`H` — Температура в конвертере
тепловой

`R` — Стержень
поступательное механическое устройство

`C` — Случай
поступательное механическое устройство

`S` — Введите или извлеките влажность и проследите газ
сырой воздушный источник

`Mechanical orientation` — Выберите ориентацию конвертера
`Positive` (значение по умолчанию) | `Negative`

`Interface cross-sectional area` — Область, на которой сырой воздух проявляет давление, чтобы сгенерировать поступательную силу
`0.01 m^2` (значение по умолчанию)

`Interface initial displacement` — Поступательное смещение порта R относительно порта C в начале симуляции
`0 m` (значение по умолчанию)

`Dead volume` — Объем сырого воздуха, когда интерфейсное смещение 0
`1e-5 m^3` (значение по умолчанию)

`Cross-sectional area at port A` — Область, нормальная, чтобы течь путь во входе конвертера
`0.01 m^2` (значение по умолчанию)

`Environment pressure specification` — Выберите метод спецификации при давлении среды
`Atmospheric pressure` (значение по умолчанию) | `Specified pressure`

`Environment pressure` — Давление вне конвертера
`0.101325 MPa` (значение по умолчанию)

`Relative humidity at saturation` — Относительная влажность, выше которой происходит конденсация
1 (значение по умолчанию)

`Condensation time constant` — Масштаб времени для конденсации
`1e-3 s` (значение по умолчанию)

`Moisture and trace gas source` — Влажность модели и уровни газа трассировки
`None` (значение по умолчанию) | `Constant` | `Controlled`

`Moisture added or removed` — Выберите, добавляет ли блок или удаляет влажность как водяной пар или жидкую воду
`Vapor` (значение по умолчанию) | `Liquid`

`Rate of added moisture` — Постоянная массовая скорость потока жидкости через блок
`0 kg/s` (значение по умолчанию)

`Added moisture temperature specification` — Выберите метод спецификации для температуры добавленной влажности
`Atmospheric temperature` (значение по умолчанию) | `Specified temperature`

`Temperature of added moisture` — Температура влажности
`293.15 K` (значение по умолчанию)

`Rate of added trace gas` — Постоянная массовая скорость потока жидкости через блок
`0 kg/s` (значение по умолчанию)

`Added trace gas temperature specification` — Выберите метод спецификации для температуры добавленного газа трассировки
`Atmospheric temperature` (значение по умолчанию) | `Specified temperature`

`Temperature of added trace gas` — Проследите температуру газа
`293.15 K` (значение по умолчанию)

Генерация кода C/C++
Генерация кода C и C++ с помощью MATLAB® Coder™.