Exponenta Banner
exponenta event banner

Параметризованный клапан с коэффициентом расхода (TL)

Клапан с площадью потока, смоделированной по коэффициенту расхода Cv или Kv

развернуть все на странице
  • Библиотека:

  • Simscape/Жидкости/Термическая жидкость/Клапаны и диафрагмы

  • Flow Coefficient Parameterized Valve (TL) block

Описание

Блок параметризованного клапана с коэффициентом потока (TL) моделирует характеристики потока клапана с использованием коэффициента потока в качестве средства для связи расхода через отверстия с падением давления через них. Параметризация коэффициента потока подходит для тех случаев, в которых внутренняя геометрия клапана известна плохо или в которых коэффициент потока является предпочтительным средством характеристики клапана. Модель клапана является достаточно общей в своих допущениях, что она может быть применена к различным клапанам; в этом блоке не предполагается ни одного типа клапана.

Параметризация коэффициента расхода

Коэффициент потока измеряет легкость, с которой текучая среда, приводимая в действие перепадом давления, протекает через клапан. Это важный параметр при определении размеров клапанов и удобный способ их характеристики в модели. В этой роли он особенно полезен, так как количественно определяет в одном числе все потери, понесенные в проходах клапана. Коэффициент расхода обычно измеряется изготовителем клапана и указывается в листе технических данных, предоставленном для клапана.

Строго говоря, обычно используются два коэффициента расхода: Cv и Kv. Они описывают в основном одно и то же количество: объемный расход воды, проходящей через клапан, который был открыт до максимума и установлен в некоторые стандартные рабочие условия. Коэффициенты расхода различаются только по температуре и падению давления, установленным при измерении (рабочие условия), и по физическим единицам, используемым в его выражении:

  • Cv измеряется при общепринятой температуре 60 °F и перепад давления 1 PSI; выражается в императорских единицах US gpm. Это коэффициент потока, используемый в модели, если для параметра блока Спецификация коэффициента потока задано значение Cv coefficient (USG/min) [1].

  • Kv измеряется при общепринятой температуре 15 °C и перепад давления bar; он выражается в метрических единицах m3/h. Это коэффициент потока, используемый в модели, если для параметра блока Спецификация коэффициента потока задано значение Kv coefficient (m^3/h). [2].

Требуется два значения коэффициента расхода: максимальное и минимальное. Максимум соответствует клапану, открытому на полную мощность; это значение, часто указываемое в листах технических данных клапана. Минимум соответствует закрытому герметичному клапану, когда остается только поток утечки, если таковой вообще имеется. Эта нижняя граница, наложенная на коэффициент расхода, служит главным образом для обеспечения численной надежности модели. Его точное значение менее важно, чем его (как правило, очень маленькое) число больше нуля.

Параметризация открытия клапана

Доля открытия клапана (отношение площади открытия клапана к его максимальному значению) определяется при моделировании на входе, указанном в порту L. Этот вход является сигналом управления и в некоторых клапанах связан с процентом хода или подъема. Управляющий сигнал может находиться в диапазоне значений от 0 кому 1. Если задано меньшее или большее значение, оно корректируется до ближайшего из двух пределов. Другими словами, сигнал насыщается при 0 и 1.

Преобразование из управляющего сигнала в фракцию открытия зависит от параметризации характеристик открытия клапана, выбранной в блоке. Результат расчета одинаков для всех параметризаций, когда управляющий сигнал либо 0 или 1: значение 0 в отверстии L всегда означает максимально (хотя и не обязательно полностью) закрытый клапан; значение 1 всегда означает максимально открытый клапан. При промежуточных значениях доли вскрытия различаются:

  • Linear - Доля открытия клапана (на рисунке обозначена как f (L)) равна управляющему сигналу в порту L. Эти два сигнала изменяются в тандеме до тех пор, пока управляющий сигнал не упадет ниже нуля (клапан полностью закрыт) или не поднимется выше своего максимального значения (клапан полностью открыт). Доля открытия колеблется от0 кому 1 (оператор, который не применяется ко всем параметризациям открытия клапана).

    f (L) = L.

  • Quick opening - Доля открытия клапана, f (L), является функцией мощности управляющего сигнала в порту L. Доля открытия быстро увеличивается при сигнале управления при значениях около0 и медленно при значениях вблизи 1. Экспонента (α) в вычислении определяет, как изменяется скорость открытия с управляющим сигналом. Доля открытия колеблется от 0 кому 1.

    f (L) = L1α, α > 1.

  • Equal percentage - Доля открытия клапана является экспоненциальной функцией управляющего сигнала в порту L. Доля открытия медленно увеличивается, при этом управляющий сигнал имеет значения около 0 и быстро при значениях вблизи 1. Основание показателя степени (R, варьируемость клапана, соотношение между максимальным и минимальным расходом через отверстия) определяет, как изменяется скорость открытия с помощью управляющего сигнала. Доля открытия колеблется от небольшой доли (0.02–0.05 для типичных значений диапазонности 20–50Кому 1.

    f (L) = RL − 1, R≈20−50.

Массовый баланс

Предполагается, что объем жидкости внутри клапана и, следовательно, его масса очень малы, и для целей моделирования они игнорируются. В результате там не может накапливаться никакого количества жидкости. Таким образом, в соответствии с принципом сохранения массы массовый расход в клапан через одно отверстие должен быть равен расходу из клапана через другое отверстие:

m˙A+m˙B=0,

где m˙ определяется как массовый расход в клапан через отверстие, обозначенное нижним индексом (A или B).

Баланс импульса

Причины тех потерь давления, которые возникают в проходах клапана, игнорируются в блоке. Независимо от их природы - внезапные изменения площади, контуры проходов - во время моделирования учитывается только их совокупный эффект. Именно этот совокупный эффект позволяет коэффициенту потока клапана захватывать блок в модели. Эти постоянные факторы в балансе импульса клапана косвенно, посредством эффективной области открытия (S) того же самого:

pA−pB=m˙m˙2+m˙crρavgS2,

где:

  • p - давление в порту, обозначенном нижним индексом (A или B).

  • αavg - среднее арифметическое плотностей жидкости в портах.

  • m˙ - массовый расход в порту.

  • m˙cr - критический массовый расход, при котором предполагается переключение потока между ламинарным и турбулентным режимами:

    m˙cr=Recrμavgπ4S,

    где Recr - число Рейнольдса в точке перехода, а λ avg - среднее значение динамических вязкостей в портах.

Эффективная площадь открытия (S) является результатом масштабирования максимальной площади открытия клапана на долю открытия (f (L)). Расчет накладывает нижнюю границу на площадь вскрытия, при которой остается только поток утечки:

S (L) = {Smaxf (L ), если Smaxf (L) > SminSmin,

где подстрочные индексы max и min см. клапан в полностью открытом и максимально закрытом положениях; функция f (L) представляет собой долю открытия, вычисленную по управляющему сигналу, заданному на порте L:

f (L) = {L, Линейный parameterizationL1/α, Быстрое открытие parameterizationRL−1, Равная параметризация процентов,

где α получается из параметра блока числа Экспонента (Exponent number), а R - из параметра Ранжирование (Rangeability). Максимальная площадь отверстия получается путем умножения (максимального) коэффициента потока на соответствующий коэффициент преобразования:

SMax = {λ CCv, max ,  если используется Cv λ KKv,  max, если используется Kv,

где:

  • λ C - коэффициент преобразования между максимальным коэффициентом расхода в британских единицах измерения (Cv, max) и максимальной площадью открытия :2.4015e-5 m^2.

  • λ K - коэффициент преобразования между максимальным коэффициентом расхода в единицах СИ (Kv, max) и максимальной площадью открытия :2.7765e-5 m^2.

Минимальную площадь отверстия, в свою очередь, получают умножением максимальной площади отверстия на отношение между минимальным и максимальным коэффициентами потока:

SMin = {Cv, minCv,  maxSmax,  если Cv используется Kv, minKv,   maxSmax, если используется Kv.

Энергетический баланс

Клапан моделируется как адиабатический компонент. Между жидкостью и окружающей ее стенкой не может происходить теплообмена. По мере прохождения текучей среды от входа до выхода никакие работы не выполняются. При этих допущениях энергия может течь только путем продвижения через порты A и B. По принципу сохранения энергии сумма потоков энергии порта должна всегда равняться нулю:

/ A +/B = 0,

, где λ определяется как расход энергии в клапан через один из портов (A или B).

Порты

Вход

развернуть все

Порт для указания сигнала, управляющего открытием клапана (в некоторых типах клапанов, связанных с ударом или процентом подъема). Клапан полностью закрыт при значении 0 и полностью открыт при значении 1.

Сохранение

развернуть все

Отверстие, через которое поток может входить или выходить из сопротивления потоку. Какое из отверстий служит входом, а какое - выходом, зависит от направления потока.

Отверстие, через которое поток может входить или выходить из сопротивления потоку. Какое из отверстий служит входом, а какое - выходом, зависит от направления потока.

Параметры

развернуть все

Выбор коэффициента расхода для указания. Cv и Kv различаются по физическим условиям их измерения и по физическим единицам их выражения. Как правило, по крайней мере один из них указан в листах технических данных на продукцию, предоставленных изготовителем. Выберите опцию, для которой доступны данные.

Коэффициент расхода, выраженный в британских единицах измерения для клапана, открытого на полную мощность. Это значение указывается в листах технических данных клапана, когда коэффициент Cv предоставляется изготовителем.

Коэффициент расхода, выраженный в единицах СИ для клапана, открытого на полную мощность. Это значение указывается в листах технических данных клапана, когда коэффициент Kv предоставляется изготовителем.

Коэффициент расхода, выраженный в британских единицах измерения для клапана, который закрыт герметично и лишен всего потока, за исключением того, что из-за внутренней утечки между портом A и портом B. Основной целью данного параметра является обеспечение численной надежности модели во время моделирования. Его точное значение менее важно, чем его очень маленькое число больше нуля.

Коэффициент расхода, выраженный в единицах СИ для клапана, который закрыт герметично и лишен всего потока, за исключением того, что из-за внутренней утечки между портом А и портом В. Основной целью данного параметра является обеспечение численной надежности модели во время моделирования. Его точное значение менее важно, чем очень малое число больше нуля.

Выбор профиля открытия клапана для использования при моделировании. Выбор, сделанный здесь, определяет, как управляющий сигнал, заданный в канале L, преобразуется в долю открытия клапана (и площадь открытия). Подробные сведения о параметризациях проема см. в описании блока.

Число, на которое следует разделить экспоненту в управляющем уравнении параметризации быстрого открытия. Использовать значение больше 1 для истинного профиля быстрого открытия, соответствующего клапану, который быстро открывается из максимально закрытого положения, но постепенно медленнее, когда он приближается к максимально открытому положению.

Число, к которому применяется экспонента в управляющем уравнении параметризации равных процентов. Это число представляет собой отношение между максимальным и минимальным расходом через клапан (первое соответствующее, полученное при максимальном открытии клапана, и второе, когда клапан максимально закрыт). Типичные значения варьируются от 20 кому 50.

Область по нормали к тракту потока в каждом порту. Предполагается, что порты имеют одинаковый размер. Площадь потока, указанная здесь, должна соответствовать площади впуска тех компонентов, к которым подсоединен клапан.

Среднее расстояние, пересекаемое жидкостью при ее перемещении от входа к выходу. Это расстояние используется при вычислении внутренней теплопроводности, возникающей между двумя портами (как часть сглаженной схемы энергии восходящего ветра, используемой в области термической жидкости).

Число Рейнольдса, при котором жидкость в клапане, как ожидается, будет переключаться между ламинарным и турбулентным режимами потока. Предполагается, что переключение происходит сразу: область перехода, которая обычно существует между двумя режимами потока, игнорируется.

Вкладка «Переменные»

Массовый расход, применяемый в порту A в начале моделирования. Блок использует это значение в качестве направляющей при подготовке модели к моделированию. Если значение совместимо с ограничениями модели, оно используется для настройки начального состояния клапана. Если значение конфликтует с переменными начального состояния, заданными в других блоках, то его параметр Priority определяет, применяется ли оно точно, приблизительно или нет вообще.

Ссылки

[1] Руководство по регулирующим клапанам. 4-й ред. Маршаллтаун, IA: Fisher Controls International. 2005.

[2] Поток жидкостей через клапаны, фитинги и трубы. Стэмфорд, КТ: Крейн, 2010.

Расширенные возможности

Создание кода C/C + +
Создайте код C и C++ с помощью Simulink ® Coder™

.

См. также

| |

Представлен в R2016a

Документация по жидкостям Simscape

Поддержка