exponenta event banner

Диафрагма переменной площади (TL)

Локальное ограничение потока с переменной площадью поперечного сечения

  • Библиотека:
  • Simscape/Жидкости/Термическая жидкость/Клапаны и диафрагмы

  • Variable Area Orifice (TL) block

Описание

Блок диафрагмы переменной площади (TL) моделирует поток через локальное ограничение с переменной площадью открытия. Отверстие содержит управляющий элемент, такой как шар, золотник или диафрагма, который определяет своим смещением мгновенную площадь отверстия. Такие элементы являются характерными для клапанов и в библиотеке тепловых жидкостей являются фундаментом, на котором базируются все направленные блоки клапанов. См., например, блок 2-Way направленного клапана (TL). Этот блок используется для создания пользовательского компонента с переменными диафрагмами, если они не предусмотрены в библиотеке тепловых жидкостей.

Предполагается, что отверстие состоит из сжатия с последующим резким расширением в области потока. Сжатие приводит к росту расхода и падению давления. Расширение позволяет восстановить давление, хотя и только частично: мимо контрактной вены, где поток находится в самом узком положении, поток, как правило, отделяется от стенки, в результате чего он теряет некоторую энергию. Степень восстановления давления зависит от коэффициента выпуска отверстия и от соотношения площади отверстия и площади отверстия. Установите для параметра Восстановление давления значение Off игнорировать этот эффект при необходимости.

Влияние движения управляющего элемента на площадь отверстия отверстия зависит от установки параметра блока ориентации отверстия. В настройках по умолчанию Positive, отверстие (если оно находится в пределах его диапазона открытия) открывается, когда управляющий элемент перемещается в положительном направлении. В альтернативной настройке Negativeотверстие открывается движением в отрицательном направлении.

Положения диафрагмы

Диафрагма является бесступенчатой. Плавно смещается между положениями, из которых имеет два. Одно - нормальное положение - это положение, в которое жиклер возвращается, когда его управляющий сигнал падает до нуля. Если смещение элемента управления не указано, отверстие A-B всегда полностью закрыто в этом положении. Другое - рабочее положение - это то, в которое перемещается диафрагма при повышении ее управляющего сигнала до максимума. Отверстие обычно полностью открыто в этом положении. Следует отметить, что то, действительно ли отверстие открыто и насколько оно открыто, зависит от величины смещения управляющего элемента.

Отверстие диафрагмы

В каком положении находится отверстие, зависит от координаты управляющего элемента - длины, которая в клапанных блоках, основанных на этой модели отверстия, часто называется отверстием отверстия. Эта переменная вычисляется во время моделирования из смещения элемента управления, заданного с помощью параметра блока с тем же именем, и из смещения элемента управления, переменной, полученной из физического сигнала, заданного в порте S:

h = h0 + δx,

где:

  • h - отверстие отверстия A-B.

  • h0 - смещение проема A-B.

  • δ - ориентация отверстия, +1 если Positive, -1 если Negative.

  • x - смещение управляющего элемента.

Смещение элемента управления, равное нулю, соответствует клапану, находящемуся в нормальном положении. Отверстие начинает открываться, когда отверстие (h) отверстия поднимается выше нуля, и оно продолжает открываться до тех пор, пока отверстие отверстия не достигнет максимального значения. Этот максимум получается из параметра блока максимального управляющего смещения в линейной параметризации диафрагмы или из указанных векторов данных в табличных параметризациях диафрагмы.

Открывающие смещения

Отверстие по умолчанию сконфигурировано так, что оно полностью закрыто, когда смещение управляющего элемента равно нулю. Такое отверстие, когда оно представляет собой клапан, часто описывается как перекрывающее нуль. Можно, приложив смещение к элементу управления, смоделировать подстилающее отверстие, то есть частично открытое, когда оно находится в нормальном положении. Отверстие также может быть перекрыто - полностью закрыто в диапазоне перемещений управляющего элемента, проходящих за нормальное закрытое положение.

На рисунке показано отверстие отверстия - h (x) - в случаях нулевого перекрытия (I), подстилаемого (II) и перекрывающегося (III) отверстий. Смещение отверстия - hs0 - равно нулю в первом случае, больше нуля во втором и меньше нуля в третьем. Элемент управления должен перемещаться вправо от своего нормального положения (в положительном направлении вдоль оси х), чтобы перекрывающееся отверстие открылось; он должен переместиться влево от своего нормального положения для герметичного закрытия подстилающего отверстия.

Характеристики открытия

Отверстие отверстия служит во время моделирования для вычисления массового расхода через отверстие. Вычисление может быть прямым отображением от отверстия к расходу или косвенным преобразованием, сначала от отверстия к площади отверстия, а затем от площади отверстия к массовому расходу. Расчет и требуемые для него данные зависят от настройки параметра блока параметризации клапана:

  • Linear area-opening relationship - Рассчитать площадь открытия клапана из положения регулирующего элемента и из нее получить массовый расход через клапан. Предполагается, что площадь отверстия изменяется линейно относительно положения управляющего элемента. Наклон линейного выражения определяется по параметрам блока Максимальное открытие клапана и Максимальная площадь открытия:

    SLin = SMaxhMaxh,

    где SLin - линейная форма открытой области, SMax - значение параметра блока «Максимальная площадь диафрагмы», hMax - значение параметра блока «Максимальное смещение регулятора». Это выражение переформулировано как кусочно-условное выражение, чтобы насытить площадь отверстия при небольшом значении утечки и обеспечить плавный переход в нормальное и рабочее положения.

  • Tabulated data - Area vs. opening - Рассчитать площадь открытия клапана из положения регулирующего элемента и из нее получить массовый расход через клапан. Площадь отверстия может изменяться нелинейно в зависимости от положения управляющего элемента. Взаимосвязь между этими двумя параметрами определяется табличными данными в параметрах блока «Открытие клапана» и «Открытие области»:

    STab = S (h),

    где STab - табличная форма области отверстия, функция отверстия отверстия, h.

  • Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop - Рассчитать массовый расход непосредственно из положения регулирующего элемента и перепада давления на клапане. Взаимосвязь между тремя переменными может быть нелинейной, и она задается табличными данными в векторе открытия клапана, векторе падения давления и параметрах блока таблицы массового расхода:

    m˙Tab=ρRefρAvgm˙ (h, Δp),

    где - табличная форма массового расхода, функция отверстия отверстия, h, и перепада давления через отверстие, Δp. Массовый расход настраивается на температуру и давление по соотношению, где start- плотность жидкости при некоторой эталонной температуре и давлении (нижний индекс Ref) или при средних значениях этих переменных в диафрагме.

Числовое сглаживание

Чтобы обеспечить адекватные характеристики моделирования, площадь отверстия отверстия сглаживается на двух небольших участках отверстия отверстия, один рядом с полностью закрытым состоянием, другой рядом с полностью открытым состоянием. Сглаживание осуществляется с помощью полиномиальных выражений (которые должны быть включены в конечную форму выражения открытой области):

λ Min = 3ΔhMin *   2ΔhMin *  3 и λ Max = 3ΔhMax * 2ΔhMax * 3,

где ƛ - коэффициент сглаживания, применяемый как минимум (нижний индекс Min) и максимум (нижний индекс Max) части выражения открытой области. Коэффициенты сглаживания рассчитываются как:

ΔhMin = h   hMinΔhSmooth  и ΔhMax = h − (hMax − ΔhSmooth) ΔhSmooth,

где hMin - минимальное отверстие отверстия, а ΔhSmooth - диапазон отверстий отверстия, по которому сглаживается линейная форма площади отверстия. Значение SMin вычисляется как:

hMin = hMaxSLeakSMax,

где SLeak - значение параметра блока области утечки. Значение SSmooth рассчитывается как:

ΔhSmooth = fSmeyhMax hMin2,

где fSmooth - значение параметра блока коэффициента сглаживания - дробь между0 и 1, с 0 индикация нулевого сглаживания и 1 максимальное сглаживание. Окончательная, сглаженная, площадь отверстия определяется кусочным выражением:

SSmooth = {SLeak, если h≤hMinSLeak (1 λ Min) +  SLeakλ Min, если h < hMin +  ΔhSmowSLin, если h≤hMax−ΔhSmoothSLin (1 − λ Max) +  SMaxλ Max, если h < hMaxSMax, если h≥hMax.

Сглаживание площади диафрагмы

Поток утечки

Основная цель расхода утечки закрытого отверстия состоит в том, чтобы гарантировать, что часть тепловой жидкостной сети не будет изолирована от остальной части модели. Такие изолированные части снижают численную надежность модели и могут замедлить моделирование или вызвать его сбой. Поток утечки обычно присутствует в реальных отверстиях, но в модели его точное значение менее важно, чем его небольшое число больше нуля. Скорость потока утечки определяется по параметру блока «Площадь утечки».

Массовый баланс

Предполагается, что объем жидкости внутри отверстия 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 отверстие через одно отверстие должен быть равен расходу из отверстия через другое отверстие:

m˙A+m˙B=0,

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

Баланс импульса

Причины потерь давления, возникающих в отверстии, 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 выпуска, измеряющим массовый расход через отверстие относительно теоретической величины, которую оно имело бы в идеальном отверстии. Выражение баланса импульса в отверстии в терминах падения давления, вызванного в потоке:

pA−pB=m˙Avgm˙Avg2+m˙Crit22ρAvgCDSSmooth2[1− (SSmootSLin) 2]

где КД - коэффициент нагнетания, а δ p - коэффициент падения давления - мера эффекта, впечатляемого восстановлением давления, которое в реальных отверстиях происходит между контрактой вены (точка, в которой поток находится в самом узком месте) и выпускным отверстием, как предполагается, на небольшом расстоянии. Нижний индексAvg обозначает среднее значение значений в отверстиях для термической жидкости. Критический массовый расход m˙Crit рассчитывается из критического числа Рейнольдса, при котором предполагается переход потока в отверстии от ламинарного к турбулентному:

m˙Crit=ReCritμAvgπ4SLin,

где λ обозначает динамическую вязкость. Значение коэффициента давления зависит от настройки параметра блока восстановления давления. В настройках по умолчанию Off:

δ p = 1.

Если On вместо него выбирается:

startp = 1 − (SSmoothSLin) 2 (1 CD2) − CDSSmoothSLin1 (SSmoothSLin) 2 (1 CD2) + CDSSmootSLin.

Энергетический баланс

Отверстие 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 всегда должна равняться нулю:

/ A +/B = 0,

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

Порты

Вход

развернуть все

Мгновенное перемещение элемента управления клапаном.

Сохранение

развернуть все

Отверстие, через которое поток может входить или выходить из клапана.

Отверстие, через которое поток может входить или выходить из клапана.

Параметры

развернуть все

Способ моделирования характеристик отверстия отверстия. Установка по умолчанию предписывает линейную зависимость между площадью отверстия диафрагмы и отверстием диафрагмы. Альтернативные установки позволяют задать общее нелинейное соотношение в виде таблицы, в одном случае между площадью отверстия и отверстием отверстия, в другом случае между массовым расходом и как отверстием отверстия, так и падением давления между отверстиями.

Отверстие отверстия, при котором отверстие полностью открыто, и его площадь отверстия, следовательно, максимальна. Этот параметр используется для вычисления наклона линейного выражения, относящегося к площади проема к проему диафрагмы.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Linear area-opening relationship.

Площадь отверстия отверстия в полностью открытом положении, когда отверстие отверстия является таким, как указано в максимальном параметре блока открытия клапана. Этот параметр используется для вычисления наклона линейного выражения, относящегося к площади проема к проему диафрагмы.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Linear area-opening relationship.

Площадь отверстия в полностью закрытом положении, когда сохраняется только внутренняя утечка между его отверстиями. Этот параметр служит главным образом для обеспечения того, чтобы закрытие отверстия не приводило к изоляции частей тепловой жидкостной сети. Указанное здесь точное значение менее важно, чем его малое число больше нуля.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Linear area-opening relationship.

Измерение степени сглаживания, применяемой к функции области открытия. Этот параметр определяет ширину сглаживаемых областей, одна из которых находится в полностью открытом положении, а другая - в полностью закрытом положении. Сглаживание накладывает на линейную область открытия функцию двух нелинейных сегментов, по одному для каждой области сглаживания. Чем больше указанное значение, тем больше сглаживание и шире нелинейные сегменты.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Linear area-opening relationship.

Вектор отверстий диафрагмы, при которых необходимо указать - в зависимости от параметризации клапана - площадь отверстия диафрагмы или ее массовый расход. Векторные элементы должны монотонно увеличиваться слева направо. Этот вектор должен быть равен размеру, заданному в параметре блока векторов площади проема, или количеству строк в параметре блока таблицы массового расхода.

Эти данные служат, чтобы построить одностороннюю справочную таблицу, которой можно определить, от открытия отверстия, вводной области отверстия или двухсторонней справочной таблицы, которой можно определить, от открытия отверстия и спада давления, массовой скорости потока жидкости отверстия. Данные обрабатываются с помощью линейной интерполяции (в пределах табличного диапазона данных) и экстраполяции ближайшего соседа (вне диапазона данных).

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Tabulated data - Area vs. opening.

Вектор областей открытия, соответствующих точкам останова, определенным в параметре блока вектора открытия. Векторные элементы должны монотонно увеличиваться слева направо (с увеличением значений отверстия диафрагмы). Этот вектор должен быть равен по размеру числу точек останова открытия диафрагмы.

Эти данные служат для построения таблицы одностороннего поиска, по которой определяют по отверстию отверстия площадь отверстия отверстия. Данные обрабатываются с помощью линейной интерполяции (в пределах табличного диапазона данных) и экстраполяции ближайшего соседа (вне диапазона данных).

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Tabulated data - Area vs. opening.

Вектор перепадов давления от порта A к порту B, при котором определяется массовый расход диафрагмы. Векторные элементы должны монотонно увеличиваться слева направо. Этот вектор должен быть равен по размеру количеству столбцов в параметре блока таблицы массового расхода.

Эти данные служат для построения таблицы двухстороннего поиска, с помощью которой можно определить по открытию отверстия и падению давления площадь отверстия отверстия. Данные обрабатываются с помощью линейной интерполяции (в пределах табличного диапазона данных) и экстраполяции ближайшего соседа (вне диапазона данных).

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Матрица массовых расходов, соответствующих точкам останова, определенным в параметрах блока вектора открытия и вектора падения давления. Отверстие отверстия увеличивается от ряда к ряду сверху вниз. Перепад давления увеличивается от колонны к колонне слева направо. Массовый расход должен монотонно увеличиваться в тех же направлениях (с увеличением положения регулирующего элемента и увеличением перепада давления).

Эти данные служат для построения таблицы двухстороннего поиска, с помощью которой можно определить по открытию отверстия и падению давления площадь отверстия отверстия. Данные обрабатываются с помощью линейной интерполяции (в пределах табличного диапазона данных) и экстраполяции ближайшего соседа (вне диапазона данных). Убедитесь, что число строк равно размеру параметра блока векторов площади проема и что количество столбцов равно размеру параметра блока векторов падения давления.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Номинальная температура на входе с привязкой к абсолютному нулю, при которой указываются табличные данные. Этот параметр используется для регулировки массового расхода в соответствии с температурой, измеренной во время моделирования.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Номинальное давление на входе с отсчетом к абсолютному нулю, при котором указываются табличные данные. Этот параметр используется для регулировки массового расхода в соответствии с давлением, измеренным во время моделирования.

Зависимости

Этот параметр активен, если для параметра блока параметризации диафрагмы установлено значение Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Смещение между элементом управления и местом, в котором в нормальном положении отверстия оно полностью закрывает отверстие. Задайте положительное смещение для моделирования подстилающего отверстия или отрицательное смещение для моделирования перекрывающегося отверстия. Подробнее о том, как смещения проема влияют на расчеты блока, см. описание блока.

Область по нормали к тракту потока в каждом порту. Предполагается, что порты имеют одинаковый размер. Площадь потока, указанная здесь, должна совпадать с площадью входных отверстий тех компонентов, к которым присоединено отверстие.

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).

Отношение фактического расхода через отверстие к теоретическому значению, которое он имел бы в идеальном клапане. Этот полуэмпирический параметр измеряет расход через отверстие: чем больше его значение, тем больше расход. Этот параметр см. в листе технических данных клапана, если он имеется.

Число Рейнольдса, при котором предполагается переход потока между ламинарным и турбулентным режимами.

Примеры модели

Engine Cooling System

Система охлаждения двигателя

Смоделируйте систему охлаждения двигателя с нефтью, охлаждающей схему, используя Simscape™ Fluids™ Тепловые Жидкие блоки. Система включает в себя контур охлаждающей жидкости и контур охлаждения масла. Насос фиксированного вытеснения приводит теплоноситель в движение по охлаждающему контуру. Основная часть тепла от двигателя поглощается хладагентом и рассеивается через радиатор. Температура системы регулируется термостатом, который отводит поток в радиатор только тогда, когда температура выше порогового значения. Контур охлаждения масла также поглощает часть тепла от двигателя. Тепло, добавляемое к маслу, передается теплоносителю с помощью теплообменника масло-хладагент. Радиатор представляет собой блок теплообменника E-NTU (TL) с воздушным потоком, управляемым входами физических сигналов. Теплообменник охлаждающей жидкости представляет собой блок теплообменника E-NTU (TL-TL). Как насос охлаждающей жидкости, так и масляный насос приводятся в движение от частоты вращения двигателя.

Ссылки

[1] Измерение потока текучей среды с помощью устройств для измерения перепада давления, вставленных в кольцевые каналы поперечного сечения, проходящие полностью - Часть 2: Измерительные диафрагмы (ISO 5167-2: 2003). 2003.

Расширенные возможности

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

.
Представлен в R2016a