Обратный клапан с регулирующим отверстием для обеспечения потока в обратном направлении
Simscape/Жидкости/Термическая жидкость/Клапаны и диафрагмы/Направленные регулирующие клапаны
Блок контрольного клапана с пилотным управлением (TL) моделирует обратный клапан с механизмом переопределения, чтобы обеспечить обратный поток при активации. (Обратный клапан, в свою очередь, представляет собой отверстие с однонаправленным механизмом открытия, установленным для предотвращения только этого обратного потока.)
Механизм переопределения добавляет к клапану третий порт - пилот. Во время нормальной работы пилотный порт неактивен, и клапан ведет себя как любой другой обратный клапан. Его отверстие затем открывается только тогда, когда градиент давления на нем падает от входа к выходу. Обратный поток, который требует обратного градиента давления, не может произойти. Этот режим защищает компоненты перед клапаном от скачков давления, скачков температуры и (в реальных системах) химического загрязнения, возникающего из точек за клапаном.
Когда требуется обратный поток, давление в контрольном отверстии нагнетается, и управляющий элемент клапана - часто шарик или поршень - вытесняется с его седла. Затем клапан открывается для протекания потока в обоих направлениях с обратным перепадом давления (направленным от выхода к входу), достаточным для приведения потока вверх по потоку. (Седло, лежащее на пути потока, определяет, открыт ли клапан. Когда он закрыт шариком, поршнем или другим управляющим элементом, поток отсекается и клапан закрывается.)
Клапан открывается на градусы, начиная с его давления растрескивания и до конца диапазона регулирования давления. Давление растрескивания дает начальное сопротивление, обусловленное силами трения или пружины, которое клапан должен преодолеть, чтобы открыть посредством щели (или чтобы раскрыть трещину). Ниже этого порога клапан закрыт, и только поток утечки может проходить. После окончания диапазона регулирования давления клапан полностью открыт, а поток на максимуме (определяется мгновенными условиями давления).
Давление крекинга играет важную роль при установке обратных клапанов вверх дном. В этом случае вес открывающего элемента, такого как шар или поршень, и подъемная головка текучей среды могут действовать для открытия клапана. (Высота возвышения может возникнуть в модели от трубы выше по потоку от входа, когда она вертикальна или наклонена.) Достаточное давление растрескивания предотвращает непреднамеренное открытие клапана, даже если он установлен под невыгодным углом.
Открытие клапана зависит как от давления пилота, так и от перепада давления от входа к выходу:
− pB,
где p - манометрическое давление, а k - отношение пилот-сигнала - отношение площади открытия пилот-сигнала (SX) к площади открытия клапана (SR). Нижний индексX обозначает значение пилот-сигнала и подстрочные значения A и B значения на входе и выходе соответственно. Давления в портах являются переменными, определяемыми (по отношению к абсолютному нулю) во время моделирования.
Давление пилот-сигнала может быть дифференциальным по отношению к входу (порт A) или измерительным по отношению к окружающей среде. Можно выбрать соответствующую настройку - Перепад давления (pX - pA) или Давление в порту X - с помощью раскрывающегося списка Спецификация контроля давления. Если выбрано давление в порту X:
pAtm,
где нижний индекс Atm обозначает атмосферное значение (полученное из блока «Параметры термической жидкости» (TL) или «Свойства термической жидкости» (TL) модели). Нижний индекс X,Abs обозначает абсолютное значение в порту пилот-сигнала. Если выбран перепад давления (pX - pA):
pA, Abs
где нижний индекс A,Abs аналогично обозначает абсолютное значение на входе клапана (порт А). Разность давлений летчика ограничена больше или равна нулю - если её расчетное значение должно быть отрицательным, в расчете управляющего давления принимается нулевое.
Степень, до которой управляющее давление превышает давление крекинга, определяет, насколько клапан будет открыт. Превышение давления выражается здесь как часть (ширина) диапазона регулирования давления:
− PCrk.
Контрольное давление (pCtl), давление крекинга (pSet) и максимальное давление открытия (PMax) соответствуют выбранной спецификации контрольного давления (Pressure differential или Pressure at port A).
Доля - технически, перерасход нормализован - оценивается в0 в полностью закрытом клапане и 1 в полностью открытом клапане. Если вычисление должно возвращать значение за пределами этих границ, вместо него используется ближайшее из двух значений. (Другими словами, фракция насыщается при 0 и 1.)
Нормализованное контрольное давление p охватывает три области давления. Ниже давления крекинга клапана его величина равна постоянному нулю. Выше максимального давления того же, оно 1. В промежутках он изменяется, как линейная функция (эффективного) управляющего давления, pCt1.
Переходы между областями резкие, а их наклоны прерывистые. Это создает проблему для решателей с переменным шагом (сортировка, обычно используемая в моделях Simscape). Чтобы точно зафиксировать разрывы, называемые в некоторых контекстах событиями пересечения нуля, решатель должен сократить свой временной шаг, ненадолго приостановившись во время пересечения, чтобы повторно вычислить свою матрицу якобиана (представление зависимостей между переменными состояния модели и их производными времени).
Эта стратегия решателя эффективна и надежна при наличии разрывов. Это делает решатель менее склонным к ошибкам сходимости - но оно может значительно увеличить время, необходимое для завершения прогона моделирования, возможно, чрезмерно для практического использования в моделировании в реальном времени. Альтернативный подход, используемый здесь, заключается в полном устранении разрывов.
Превышение нормализованной температуры с резкими переходами
Блок удаляет разрывы, сглаживая их в заданном масштабе времени. Сглаживание, которое добавляет небольшое искажение к нормализованному давлению на входе, гарантирует, что клапан перемещается в свои предельные положения, а не защелкивается (резко) в них. Сглаживание является необязательным: его можно отключить, установив его шкалу времени равной нулю. Форма и масштаб сглаживания при применении частично определяются кубическими многочленами:
2p pw L3
и
R3,
где
^ Δp *
и
Δp *) Δp *.
В уравнениях:
ƛL - сглаживающее выражение для перехода из максимально закрытого положения.
ƛR - сглаживающее выражение для перехода из полностью открытого положения.
Δp * - (безразмерная) характерная ширина области сглаживания давления :
* 12,
где f * - коэффициент сглаживания, равный 0 и 1 и получен из параметра блока с тем же именем.
Если коэффициент сглаживания равен 0нормализованное давление на входе остается в своей первоначальной форме - не применяется сглаживание - и его переходы остаются резкими. Когда это будет1сглаживание охватывает весь диапазон регулирования давления (нормализованное входное давление принимает форму S-образной кривой).
При промежуточных значениях сглаживание ограничивается долей этого диапазона. Значение 0.5например, сглаживает переходы на протяжении четверти диапазона регулирования давления с каждой стороны (для общей гладкой области, составляющей половину диапазона регулирования).
Сглаживание добавляет две новые области к нормализованному превышению давления - одна для плавного перехода слева, другая для той, что справа, давая в общей сложности пять областей. Они выражены в кусочной функции:
+λR,p^<11p^≥1,
где звездочка обозначает сглаженную переменную (превышение нормализованного управляющего давления). На рисунке показано влияние сглаживания на резкость переходов.
Предполагается, что клапан открывается линейно со сглаженным превышением управляющего давления:
+ SMin,
где S - звуковая проводимость и подстрочные Max и Min обозначать его значения в полностью открытом и полностью закрытом клапане. С точки зрения сглаженного превышения давления регулирования площадь открытия становится следующей:
* + SMin.
(Оба выражения используются при расчете перепада давления на клапане.)
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. Этот эффект фиксируется в блоке коэффициентом нагнетания, мерой массового расхода через клапан относительно теоретического значения, которое он имел бы в идеальном клапане. Выражение баланса импульса в клапане в терминах падения давления, вызванного в потоке:
]
где start- плотность, CD - коэффициент нагнетания, а startp - коэффициент падения давления - мера степени, до которой восстановление давления на выходе способствует общему падению давления клапана. Нижний индекс Avg обозначает среднее значение значений в отверстиях для термической жидкости. Критический массовый расход, m˙Crit, рассчитывается из критического числа Рейнольдса - того, при котором предполагается переход потока в клапане от ламинарного к турбулентному:
где λ обозначает динамическую вязкость. Коэффициент перепада давления рассчитывается как:
S) 2 (1 − CD2) + CDS * S.
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:
где определяется как массовый расход в клапан через порт A или B.
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:
= 0,
, где λ определяется как расход энергии в клапан через один из портов (A или B).
2-Way Направленный клапан (TL) | 3-Way Направленный клапан (TL) | Обратный клапан (TL) | Диафрагма переменной площади (TL)