Документация

Применения по назначению

Библиотека Gas содержит базовые элементы, такие как отверстия, емкости, и пневматически-механические конвертеры, а также датчики и источники. Используйте эти блоки для газовых систем модели для приложений, таких как:

Вы задаете газовые свойства в связанном цикле при помощи блока Gas Properties (G). Этот блок позволяет вам выбрать между тремя уровнями идеализации: совершенный газ, полусовершенный газ или действительный газ (см. Газовые Модели Свойства).

Сетевые переменные

Переменные Across являются давлением и температурой, и переменные Through являются энергетической скоростью потока жидкости и массовым расходом жидкости. Обратите внимание на то, что этот выбор приводит к псевдографу связей, потому что продуктом давления и массового расхода жидкости не является степень.

Газовые модели свойства

Библиотека Gas поддерживает совершенный газ, полусовершенный газ и действительный газ в той же газовой области для того, чтобы покрыть широкий спектр моделирования требований. Три газовых модели свойства обеспечивают компромиссы между скоростью симуляции и точностью. Они также включают инкрементный рабочий процесс: вы начинаете с простой модели, которая запрашивает минимальную информацию о рабочем газе, и затем положитесь на модель, когда более подробные газовые данные о свойстве становятся доступными.

Вы выбираете газовую модель свойства при помощи блока Gas Properties (G), который задает газовые свойства в подключенной схеме.

Следующая таблица обобщает различные предположения для каждой газовой модели свойства.

Идеальный газовый закон реализован в библиотеке Simscape™ Foundation Gas как

где:

Фактором сжимаемости, Z, обычно является функция давления и температуры. Это составляет отклонение от идеального газового поведения. Газ идеален когда Z = 1. В совершенных и полусовершенных газовых моделях свойства Z должен быть постоянным, но это не должно быть равно 1. Например, если вы моделируете неидеальный газ (Z ≠ 1), но температура и давление системы значительно не варьируются, можно использовать совершенную газовую модель и задать соответствующее значение Z. В следующей таблице перечислены фактор сжимаемости Z для различных газов в 293.15 K и 0,101325 МПа:

Используя совершенную газовую модель, с постоянным значением Z, настроенного на основе типа газа и условий работы, позволяет вам избежать дополнительной сложности и вычислительной стоимости перемещения в полусовершенную или действительную газовую модель свойства.

Совершенная газовая модель свойства является хорошим стартовым выбором при моделировании газовой сети, потому что это просто, в вычислительном отношении эффективно, и запрашивает ограниченную информацию о рабочем газе. Это правильно для одноатомных газов и, обычно, это достаточно точно для газов, таких как сухой воздух, углекислый газ, кислород, водород, гелий, метан, природный газ, и так далее, при стандартных условиях.

Когда газовая сеть действует около контура насыщения или действует по очень широкому диапазону температур, рабочий газ может предоставить умеренное неидеальное поведение. В этом случае, после успешной симуляции газовой сети с совершенной газовой моделью свойства, рассмотрите переключение на полусовершенную газовую модель свойства.

Наконец, рассмотрите переключение на действительную газовую модель свойства, если рабочий газ, как ожидают, предоставит строго неидеальное поведение, такое как тяжелые газы с большими молекулами. Эта модель является самой дорогой в терминах вычислительной стоимости и запрашивает подробную информацию о рабочем газе, потому что это использует 2D интерполяцию во всех свойствах.

Блоки с объемом газа

Компоненты в газовой области моделируются с помощью объемов управления. Объем управления охватывает газ в компоненте и разделяет его от окружающей среды и других компонентов. Потоки газа и тепловые потоки через поверхность управления представлены портами. Объем газа в компоненте представлен с помощью внутреннего узла, который обеспечивает давление газа и температуру в компоненте. Этот внутренний узел не отображается, но можно получить доступ к его параметрам и переменным с помощью регистрации данных Simscape. Для получения дополнительной информации займитесь Логгированием Данных моделирования.

Следующие блоки в библиотеке Gas моделируются как компоненты с объемом газа. В случае Controlled Reservoir (G) и Reservoir (G), объем принят, чтобы быть бесконечно большим.

Другие компоненты имеют относительно маленькие объемы газа, так, чтобы газ, вводящий компонент, провел незначительное время в компоненте перед выходом. Эти компоненты рассматриваются квазиустановившимися, и у них нет внутреннего узла.

Ссылочный узел и основывающиеся правила

В отличие от механических и электрических областей, где каждая топологически отличная схема в области должна содержать по крайней мере один ссылочный блок, газовые сети имеют различные правила основания.

Блоки с объемом газа содержат внутренний узел, который обеспечивает давление газа и температуру в компоненте и поэтому служит ссылочным узлом для газовой сети. Каждая связанная газовая сеть должна иметь по крайней мере один ссылочный узел. Это означает, что каждая связанная газовая сеть должна иметь по крайней мере один из блоков, перечисленных в Блоках с Объемом газа. Другими словами, газовая сеть, которая не содержит объема газа, является недопустимой газовой сетью.

Библиотека Foundation Gas содержит блок Absolute Reference (G), но, в отличие от других областей, вы не используете его в основании газовых схем. Цель блока Absolute Reference (G) состоит в том, чтобы обеспечить ссылку для Pressure & Temperature Sensor (G). Если вы будете использовать блок Absolute Reference (G) в другом месте в газовой сети, он инициирует утверждение симуляции, потому что давление газа и температура не могут быть в абсолютном нуле.

Начальные условия для блоков с конечным объемом газа

В этом разделе рассматриваются определенные требования инициализации для блоков, смоделированных с конечным объемом газа. Эти блоки перечислены в Блоках с Объемом газа.

Состояние объема газа развивается динамически на основе взаимодействий со связанными блоками через энергетические потоки и массу. Постоянные времени зависят от сжимаемости и тепловой способности объема газа.

Состояние объема газа представлено дифференциальными переменными во внутреннем узле блока. Как дифференциальные переменные, они требуют, чтобы начальные условия были заданы до запуска симуляции. Диалоговое окно каждого блока, смоделированного с конечным объемом газа, имеет вкладку Variables, которая перечисляет три переменные:

По умолчанию Pressure of gas volume и Temperature of gas volume имеют высокий приоритет с целевыми значениями, равными стандартному условию (0.101325 MPa и 293.15 K). Можно настроить целевые значения, чтобы представлять соответствующее начальное состояние объема газа для блока. Density of gas volume имеет приоритет по умолчанию None потому что только начальные условия двух из этих трех переменных необходимы, чтобы полностью определить начальное состояние объема газа. При желании альтернативный способ задать начальные условия состоит в том, чтобы изменить Density of gas volume в высокий приоритет с соответствующим целевым значением, и затем изменить или Pressure of gas volume или Temperature of gas volume к приоритету ни одного.

Важно, чтобы только двум из этих трех переменных установили их приоритеты на High для каждого блока с конечным объемом газа. Размещение высокоприоритетных ограничений на все три переменные приводит к сверхспецификации с решателем, не могущим найти решение для инициализации, которое удовлетворяет желаемым начальным значениям. С другой стороны размещение высокоприоритетного ограничения только на одну переменную делает систему под-заданным, и решатель может разрешить переменные с произвольными и неожиданными начальными значениями. Для получения дополнительной информации о переменной инициализации и контакте со сверхспецификацией, смотрите, Инициализируют Переменные для Системы Массового Демпфера Spring.

В блоках, которые моделируются с бесконечно большим объемом газа, состояние объема газа принято квазиустойчивое и нет никакой потребности задать начальное условие.

Дросселируемый поток

Поток газа через Local Restriction (G), Variable Local Restriction (G) или блоки Pipe (G) может стать дросселируемым. Дросселирование появляется, когда скорость потока достигает локальной скорости звука. Когда поток дросселируется, скорость при дросселировании не может увеличиться дальше. Однако массовый расход жидкости может все еще увеличиться, если плотность газа увеличивается. Это может быть достигнуто, например, путем увеличения давления в восходящем направлении точки дросселирования. Эффект дросселирования в газовой сети состоит в том, что массовый расход жидкости посредством ветви, содержащей дросселируемый блок, зависит полностью от восходящего давления и температуры. Пока условие дросселирования обеспечено, этот дросселируемый массовый расход жидкости независим от любых изменений, происходящих в давлении в нисходящем направлении.

Следующая модель иллюстрирует дросселируемый поток. В этой модели блок Ramp имеет наклон 0,005 и время начала 10. Блоку Simulink-PS Converter установили Input signal unit на Mpa. Все другие блоки имеют значения параметров по умолчанию. Время симуляции составляет 50 с. Когда вы симулируете модель, давление в порте А блока Local Restriction (G) увеличивается линейно с атмосферного давления, запускающегося в 10 с. Давление в порте B фиксируется при атмосферном давлении.

Следующий рисунок показывает регистрируемые данные моделирования для блока Local Restriction (G). Число Маха в ограничении (Mach_R) достигает 1 приблизительно в 20 с, указывая, что поток дросселируется. Массовый расход жидкости (mdot_A) перед потоком дросселируется, следует за типичным квадратичным поведением относительно увеличивающегося перепада давлений. Однако массовый расход жидкости после потока дросселируется, становится линейным, потому что дросселируемый массовый расход жидкости зависит только от восходящего давления и температуры, и восходящее давление увеличивается линейно.

То, что дросселируемый массовый расход жидкости зависит только от восходящих условий, может вызвать несовместимость с Mass Flow Rate Source (G) или Controlled Mass Flow Rate Source (G), соединенным в нисходящем направлении дросселируемого блока. Считайте модель показанной на следующем рисунке, который содержит блок Controlled Mass Flow Rate Source (G) вместо Controlled Pressure Source (G).

Если бы источник управлял увеличивающимся массовым расходом жидкости слева направо через Local Restriction (G), симуляция успешно выполнилась бы, даже если бы поток стал дросселируемым, потому что Controlled Mass Flow Rate Source (G) был бы восходящим из дросселируемого блока. Однако в этой модели блок Gain инвертирует направление потока, так, чтобы Controlled Mass Flow Rate Source (G) был нисходящим из дросселируемого блока. Давление в восходящем направлении Local Restriction (G) фиксируется при атмосферном давлении. Поэтому дросселируемый массовый расход жидкости в этой ситуации является постоянным. Когда массовый расход жидкости, которым управляют, увеличивается, в конечном счете это станет больше, чем это постоянное значение дросселируемого массового расхода жидкости. На данном этапе массовый расход жидкости, которым управляют, и дросселируемый массовый расход жидкости не могут быть согласованы и сбои симуляции. Просмотр регистрируемых данных моделирования в Проводнике Результатов Simscape показывает, что симуляция перестала работать только в точке, когда Число Маха достигает 1, и поток становится дросселируемым.

В общем случае, если модель, вероятно, будет дросселировать, используйте источники давления, а не источники массового расхода жидкости. Если модель содержит исходные блоки массового расхода жидкости и сбои симуляции, используйте Проводник Результатов Simscape, чтобы смотреть переменные Числа Маха во всем Local Restriction (G), Variable Local Restriction (G) и блоках Pipe (G), соединенных вдоль той же ветви как источник массового расхода жидкости. Если отказ симуляции происходит, когда Число Маха достигает 1, вероятно, что существует нисходящий источник массового расхода жидкости, пытающийся управлять массовым расходом жидкости, больше, чем возможный дросселируемый массовый расход жидкости.

Переменная Числа Маха для блоков ограничения называется Mach_R. Блок Pipe (G) имеет две переменные Числа Маха, Mach_A и Mach_B, представляя Число Маха в порте А и порте B, соответственно.

Реверсирование потока

Поток газа через схему несет энергию от одного объема газа до другого объема газа. Поэтому энергетическая скорость потока жидкости между двумя связанными блоками зависит от направления потока. Если потоки газа от блока A до блока B, то энергетическая скорость потока жидкости между двумя блоками основана на определенной общей энтальпии блока A. С другой стороны, если потоки газа от блока B до блока A, то энергетическая скорость потока жидкости между двумя блоками основана на определенной общей энтальпии блока B. Чтобы сглаживать переход для сходимости моделирования, энергетическая скорость потока жидкости также включает вклад на основе различия в определенных общих энтальпиях двух блоков в скоростях потока жидкости малой массы. Областью сглаживания управляют параметры блоков Gas Properties (G) Mach number threshold for flow reversal.

Последствие этого подхода - то, что температура узла между двумя связанными блоками представляет температуру объема газа в восходящем направлении того узла. Если существует два или больше восходящих слияния путей к потоку в узле, то температура в узле представляет средневзвешенную температуру на основе смешивания идеала потоков газа слияния.

Сходимость моделирования может быть сложной для моделей, которые показывают быстрые реверсирования потока и большой перепад температур между блоками. Быстрые реверсирования потока могут быть результатом наличия низких сопротивлений потока (например, коротких трубопроводов) между большими объемами газа. Большим перепадом температур может быть результат энергии, добавленной источниками, чтобы обеспечить большой перепад давлений в модели с небольшой теплоотдачей. В этих моделях может быть необходимо увеличить значение параметров Mach number threshold for flow reversal, чтобы избежать отказа симуляции.