Моделирование сырых пневматических систем

Применения по назначению

Библиотека Moist Air содержит базовые элементы, такие как резервуары, емкости, и пневматически-механические конвертеры, а также датчики и источники. Используйте эти блоки для систем ОВКВ модели, систем контроля за состоянием окружающей среды и других подобных приложений.

Соответствующие отрасли промышленности включают автомобильный, космос, создавая. Ключевым аспектом этих приложений является потребность отслеживать уровни влажности в различных частях модели в зависимости от времени. Сырая воздушная область является областью газа 2D разновидностей, где разновидности являются воздухом и водяным паром. Кроме того, водяной пар может уплотнить из системы. Этот эффект важен для приложений HVAC, потому что скрытая теплота водной конденсации влияет на термодинамику потока жидкости.

Сырая воздушная смесь состоит из сухого воздуха и водяного пара. Газ трассировки является дополнительной третьей разновидностью в сырой воздушной смеси. Пример использования газа трассировки должен отследить углекислый газ и загрязнители, такие как оксиды азота (NOx). Вы задаете сырые воздушные свойства в связанном цикле при помощи блока Moist Air Properties (MA). Этот блок также дает вам несколько опций для моделирования свойств газа трассировки. Вы увеличиваете и уменьшаете уровни влажности и прослеживаете газ в воздушной смеси при помощи блоков в библиотеке Moisture & Trace Gas Sources (см. Уровни Газа Влажности и Трассировки Моделирования).

Все газовые разновидности в смеси приняты, чтобы быть полусовершенным газом. Это означает, что давление, температура и плотность подчиняются идеальному газовому закону. Другая properties―specific энтальпия, удельная теплоемкость, динамическая вязкость и тепловые conductivity―are функции температуры только.

Используйте Сырую Воздушную область и библиотеку, чтобы выполнить следующие задачи:

Разработайте требования системы ОВКВ для среды, такие как создание, автомобиль или самолет
Обеспечьте приемлемую температуру, давление, влажность и конденсацию в среде
Определите мощность системы ОВКВ совпадать с нагреванием, охлаждением и требованиями сушки
Анализируйте эффективность системы ОВКВ, КПД, и стойте
Подтвердите модель системы ОВКВ против тестовых данных
Спроектируйте и симулируйте компоненты HVAC и настройте модели компонента, чтобы протестировать данные о буровой установке
Симулируйте модели включая систему ОВКВ, модель среды и контроллер
Спроектируйте контроллеры для клапанов, вентиляторов и компрессоров, чтобы гарантировать безопасную и оптимальную операцию
Выполните Программное-аппаратное тестирование

Сетевые переменные для сырой воздушной области

Переменные Across являются давлением, температурой, удельная влажность (часть массы водяного пара), и прослеживают газовую массовую часть. Переменные Through являются массовым расходом жидкости смеси, энергетической скоростью потока жидкости смеси, массовым расходом жидкости водяного пара, и прослеживают газовый массовый расход жидкости. Обратите внимание на то, что этот выбор приводит к псевдографу связей, потому что продуктом переменных Across и Through не является степень.

Существует отдельная область для моделирования влажности и уровней газа трассировки в сырых пневматических системах. Для получения дополнительной информации смотрите Сырую Воздушную Исходную Область.

Сырые воздушные свойства

Свойства жидкости по умолчанию для сырой воздушной библиотеки соответствуют сухому воздуху, водяному пару и углекислому газу (дополнительный газ трассировки). Однако можно изменить свойства жидкости в блоке Moist Air Properties (MA) к смесям модели других газов и паров. Можно заменить сухой воздух и углекислый газ с другими газовыми разновидностями. Можно также изменить водяной пар в другой пар сжатия (или даже в другую не уплотняющую газовую разновидность, путем предоставления достаточно больших значений при давлении насыщения, так, чтобы это никогда не достигало бы насыщения в процессе моделирования). Таким образом можно смоделировать любую газовую смесь с тремя разновидностями.

Все газовые разновидности в смеси приняты, чтобы быть полусовершенным газом. Это означает, что давление p, температурный T и плотность ρ составляющих подчиняется идеальному газовому закону:

$\begin{array}{l} p_{a} = ρ_{a} R_{a} T, \\ p_{w} = ρ_{w} R_{w} T, \\ p_{g} = ρ_{g} R_{g} T, \end{array}$

где R является определенной газовой константой. Индексы a, w и g указывают на сухой воздух, водяной пар, и прослеживают газ, соответственно.

Закон дальтона применяется к идеальным газам:

$p = p_{a} + p_{w} + p_{g} .$

Поэтому смесь также подчиняется идеальному газовому закону:

$p = ρ R T,$

где:

$\begin{array}{l} ρ = ρ_{a} + ρ_{w} + ρ_{g}, \\ R = x_{a} R_{a} + x_{w} R_{w} + x_{g} R_{g} . \end{array}$

x _a, x _w и x _g является массовыми частями сухого воздуха, водяного пара, и прослеживает газ, соответственно.

Другие свойства каждой составляющей приняты, чтобы быть функциями температуры только:

h (T), h _w (T), h _g (T) ― Определенная энтальпия сухого воздуха, водяного пара и газа трассировки, соответственно.
μ (T), μ _w (T), μ _g (T) ― Динамическая вязкость сухого воздуха, водяного пара и газа трассировки, соответственно.
k (T), k _w (T), k _g (T) ― Теплопроводность сухого воздуха, водяного пара и газа трассировки, соответственно.

Для идеальных газов энтальпия смешивания является нулем. Поэтому смесь определенная энтальпия является комбинацией составляющей определенной энтальпии на основе их массовых частей:

$h = x_{a} h_{a} (T) + x_{w} h_{w} (T) + x_{g} h_{g} (T) .$

Можно вычислить энтропию смешивания от мольных долей:

$Δ s^{m i x} = - x_{a} R_{a} \ln (y_{a}) + x_{w} R_{w} \ln (y_{w}) + x_{g} R_{g} \ln (y_{g}),$

где y _a, y _w и y _g является мольными долями сухого воздуха, водяного пара, и прослеживает газ, соответственно.

Поэтому смесь определенная энтропия

$s = x_{a} s_{a} + x_{w} s_{w} + x_{g} s_{g} + Δ s^{m i x} .$

Влажность и определения свойства газа трассировки

Уравнения, описывающие влажность и свойства газа трассировки, используют эти символы и определения свойства. Индексы aW, и g укажите на свойства сухого воздуха, водяного пара, и проследите газ, соответственно. Индекс ws указывает на водяной пар в насыщении.

Символ	Свойство	Определение
p	Давление	Давление сырой воздушной смеси (в противоположность парциальному давлению водяного пара или парциальному давлению газа трассировки).
T	Температура	Температура сухой лампы, которая является температурой в общем термодинамическом смысле. (Температура влажной лампы является различным количеством, которое измеряет уровень влажности.)
R	Определенная газовая константа	Универсальная газовая константа, разделенная на молярную массу разновидностей. Определенная газовая константа смеси $R = x_{a} R_{a} + x_{w} R_{w} + x_{g} R_{g} .$
φ _w	Относительная влажность	Моли водяного пара как часть молей водяного пара должны были насыщать при той же температуре. Давление насыщения водяного пара является свойством воды и является функцией температуры только, p _ws (T). Идеальный газовый закон (из-за принятого полусовершенного газа) означает, что мольная доля эквивалентна части парциального давления. Мольная доля y _w не может быть больше 1. Поэтому при высокой температуре или низком давлении, не может быть возможно достигнуть относительной влажности 1. $φ_{w} = {\frac{y_{w}}{y_{w s}} \|}_{T} = \frac{y_{w} p}{p_{w s} (T)}$
x _w	Удельная влажность	Масса водяного пара как часть общей массы сырой воздушной смеси. Это - другой термин для части массы водяного пара. Не может быть возможно достигнуть удельной влажности 1 должного к насыщению. $x_{w} = \frac{M_{w}}{M} = \frac{{\dot{m}}_{w}}{\dot{m}}$
y _w	Мольная доля водяного пара	Моли водяного пара как часть общих молей сырой воздушной смеси. Не может быть возможно достигнуть мольной доли водяного пара 1 должного к насыщению. $y_{w} = \frac{N_{w}}{N} = \frac{p_{w}}{p}$
r _w	Отношение влажности	Отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха и газа трассировки. Для условий в типичных приложениях HVAC это близко к удельной влажности. $r_{w} = \frac{M_{w}}{M_{a} + M_{g}}$
ρ _w	Абсолютная влажность	Масса водяного пара по объему сырой воздушной смеси. Это - другой термин для плотности водяного пара. $ρ_{w} = \frac{M_{w}}{V}$
x _g	Проследите газовую массовую часть	Масса газа трассировки как часть общей массы сырой воздушной смеси. $x_{g} = \frac{M_{g}}{M} = \frac{{\dot{m}}_{g}}{\dot{m}}$
y _g	Проследите газовую мольную долю	Моли газа трассировки как часть общих молей сырой воздушной смеси. $y_{g} = \frac{N_{g}}{N} = \frac{p_{g}}{p}$

Мольная доля водяного пара связана с удельной влажностью (то есть, с массовой частью) можно следующим образом:

$y_{w} = \frac{R_{w}}{R} x_{w} .$

Газовая мольная доля трассировки связана, чтобы проследить газовую массовую часть можно следующим образом:

$y_{g} = \frac{R_{g}}{R} x_{g} .$

Блоки с сырым воздушным объемом

Компоненты в сырой воздушной области моделируются с помощью объемов управления. Объем управления охватывает сырой воздух в компоненте и разделяет его от окружающей среды и других компонентов. Воздушные потоки и тепловые потоки через поверхность управления представлены портами. Сырой воздушный объем в компоненте представлен с помощью внутреннего узла. 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.

Для сырого воздушного объема необходимо задать давление, температуру, уровень влажности, и проследить газовый уровень. Для получения дополнительной информации смотрите Начальные условия для Блоков с Конечным Сырым Воздушным Объемом.

Следующие блоки в библиотеке Moist Air моделируются как компоненты с сырым воздушным объемом. В случае Controlled Reservoir (MA) и блоков Reservoir (MA), объем принят, чтобы быть бесконечно большим.

Блок	Объем газа
Constant Volume Chamber (MA)	Конечный
Pipe (MA)	Конечный
Rotational Mechanical Converter (MA)	Конечный
Translational Mechanical Converter (MA)	Конечный
Reservoir (MA)	Бог
Controlled Reservoir (MA)	Бог

Другие компоненты имеют относительно маленькие сырые воздушные объемы, так, чтобы воздушная смесь, вводящая компонент, провела 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, сырые воздушные сети имеют различные правила основания.

Блоки с сырым воздушным объемом содержат внутренний узел, который обеспечивает давление, температуру, уровень влажности и уровень газа трассировки в компоненте и поэтому служит ссылочным узлом для сырой воздушной сети. Каждая связанная сырая воздушная сеть должна иметь по крайней мере один ссылочный узел. Это означает, что каждая связанная сырая воздушная сеть должна иметь по крайней мере один из блоков, перечисленных в Блоках с Сырым Воздушным Объемом. Другими словами, сырая воздушная сеть, которая не содержит воздушного объема, является недопустимой сетью.

Библиотека Foundation Moist Air содержит блок Absolute Reference (MA), но, в отличие от других областей, вы не используете его для основания сырых воздушных схем. Цель блока Absolute Reference (MA) состоит в том, чтобы обеспечить ссылку для блока Pressure & Temperature Sensor (MA). Если вы используете блок Absolute Reference (MA) в другом месте в сырой воздушной сети, он инициировал утверждение симуляции, потому что воздушное давление и температура смеси не может быть в абсолютном нуле.

Начальные условия для блоков с конечным сырым воздушным объемом

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

Жидкие состояния сырого воздушного объема являются давлением, температурой, уровнем влажности, и прослеживают газовый уровень. Эти жидкие состояния развиваются динамически на основе сохранения массы смеси, сохранения массы водяного пара, прослеживают газовое массовое сохранение и энергосбережение смеси. Поэтому необходимо задать начальные условия для этих блоков, задать начальные жидкие состояния. Диалоговое окно каждого блока, смоделированного с конечным сырым воздушным объемом, имеет вкладку Variables, которая позволяет вам задать начальные условия. Чтобы гарантировать сопоставимые начальные условия, задайте высокоприоритетные цели для четырех переменных:

Pressure of moist air volume
Temperature of moist air volume
Одна из переменных, представляющих уровень влажности:
- Relative humidity of moist air volume
- Specific humidity of moist air volume
- Water vapor mole fraction of moist air volume
- Humidity ratio of moist air volume
Одна из переменных, представляющих уровень газа трассировки:
- Trace gas mass fraction of moist air volume
- Trace gas mole fraction of moist air volume

Важно, чтобы только четырем переменным, аналогичным описанному, установили их приоритеты на High для каждого блока с конечным сырым воздушным объемом. Размещение высокоприоритетных ограничений на дополнительные переменные приводит к сверхспецификации с неспособностью решателя найти решение для инициализации, которое удовлетворяет желаемым начальным значениям. Установите приоритет остающихся переменных к None. Можно использовать уравнения в Определениях Свойства Газа Влажности и Трассировки и Газе Трассировки Моделирование Опций, чтобы преобразовать значения от одной влажности или проследить газовую меру до другого. Для получения дополнительной информации о переменной инициализации и контакте со сверхспецификацией, смотрите, Инициализируют Переменные для Системы Массового Демпфера Spring.

О жидких состояниях сырого воздушного объема в этих блоках сообщает выходной порт физического сигнала F. Порт Connect F с блоком Measurement Selector (MA), чтобы извлечь измерения давления, температуры, уровня влажности, и проследить газовый уровень в процессе моделирования.

В блоках, которые моделируются с бесконечно большим сырым воздушным объемом, состояние объема принято квазиустойчивое и нет никакой потребности задать начальное условие. Вместо этого эти блоки представляют граничные условия для сырой воздушной сети.

Насыщение и конденсация

Блоки с конечным сырым воздушным объемом (перечисленный в Блоках с Сырым Воздушным Объемом) могут стать влажными, когда относительная влажность φ _w достигает относительной влажности в насыщении φ _ws. Влажное состояние представляет максимальную сумму влажности, которую сырой воздушный объем может содержать в том давлении и температуре. Любая дополнительная влажность уплотняет в жидкую воду.

По определению относительная влажность в насыщении равняется 1. Однако можно задать различное значение для φ _ws, чтобы смоделировать некоторый эмпирический эффект или другое явление. Когда φ _ws> 1, парциальное давление водяного пара может стать больше, чем давление насыщения водяного пара. Когда φ _ws <1, влажность может уплотнить, прежде чем парциальное давление водяного пара достигает давления насыщения водяного пара.

Конденсация не происходит мгновенно. Следовательно, для φ _w возможно немного быть больше φ _ws. Постоянная времени конденсации представляет характеристическое время, которое требуется, чтобы уплотнить достаточно влажности, чтобы принести φ _w назад к φ _ws. Большее значение постоянной времени заставляет φ _w превышать φ _ws до большей степени, но более численно устойчиво.

Влажность, которая уплотняет, как рассматривается, оставила сырую воздушную сеть, поэтому, масса и энергия сжатой жидкой воды вычтены из сырого воздушного объема. Об уровне конденсации сообщает выходной порт физического сигнала W. Если вы хотите смоделировать поток сжатой жидкой воды, можно использовать уровень конденсации как вход для другой гидросистемы (гидравлическая, тепловая жидкая, двухфазная жидкость или другая сырая воздушная сеть). Следующий пример показывает, как использовать тепловую жидкую сеть, чтобы смоделировать конденсат, который высушивает от Constant Volume Chamber (MA) до трубопровода.

Если у вас есть лицензия Simscape Fluids™, можно также использовать блок Tank (TL), чтобы смоделировать лоток набора конденсации. Уровень жидкости в баке представляет сумму собранной конденсации, но еще не истощенной от бака.

Дросселируемый поток

Сырой воздушный поток через Local Restriction (MA), Variable Local Restriction (MA) или блоки Pipe (MA) 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 воздушной смеси увеличивается. Это может быть достигнуто, например, путем увеличения давления в восходящем направлении точки дросселирования. Эффект дросселирования в сырой воздушной 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 (MA) увеличивается линейно с атмосферного давления, запускающегося в 10 с. Давление в порте B фиксируется при атмосферном давлении.

Следующие два графика показывают регистрируемые данные моделирования для блока Local Restriction (MA). Число Маха в ограничении (Mach) 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 (MA) или блоком Controlled Mass Flow Rate Source (MA), соединенным в нисходящем направлении дросселируемого блока. Рассмотрите эту модель, которая содержит блок Controlled Mass Flow Rate Source (MA) вместо блока Controlled Pressure Source (MA).

Если бы источник управлял увеличивающимся массовым расходом жидкости слева направо через блок Local Restriction (MA), симуляция успешно выполнилась бы, даже если бы поток стал дросселируемым, потому что блок Controlled Mass Flow Rate Source (MA) был бы восходящим из дросселируемого блока. Однако в этой модели, блок Gain инвертирует направление потока, так, чтобы блок Controlled Mass Flow Rate Source (MA) был нисходящим из дросселируемого блока. Давление в восходящем направлении блока Local Restriction (MA) 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 (MA), Variable Local Restriction (MA) и блоках Pipe (MA), 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.

Документация