Интерфейс между двухфазной текучей средой и механическими вращательными сетями
Двухфазная жидкость/элементы
Блок вращательного механического преобразователя (2P) моделирует интерфейс между двухфазной текучей средой и механическими вращательными сетями. Интерфейс преобразует давление в жидкостной сети в крутящий момент в механической вращательной сети и наоборот.
Этот блок позволяет моделировать поворотный привод, приводимый в действие двухфазной жидкостной системой. Однако он не учитывает инерцию, трение или жесткие упоры, распространенные во вращающихся приводах. Эти эффекты можно моделировать отдельно с помощью блоков Simscape, таких как «Инерция», «Вращательное трение» и «Вращательный жесткий стоп».
Порт А представляет собой вход, через который текучая среда входит и выходит из преобразователя. Порты C и R представляют корпус преобразователя и интерфейс перемещения соответственно. Порт Н представляет собой стенку, через которую преобразователь обменивается теплом со своим окружением.
Направление крутящего момента зависит от механической ориентации преобразователя. Если параметр Механическая ориентация (Mechanical Orientation) является положительным, то положительный расход через вход имеет тенденцию вращать поверхность раздела в положительном направлении относительно корпуса преобразователя.
Положительная механическая ориентация
Если параметр Механическая ориентация (Mechanical Orientation) является отрицательным, то положительный массовый расход через вход имеет тенденцию вращать поверхность раздела в отрицательном направлении относительно корпуса преобразователя.
Отрицательная механическая ориентация
Сопротивление потоку между портом А и внутренним пространством преобразователя принимается незначительным. Потери давления между ними приблизительно равны нулю. Поэтому давление в канале А равно давлению в преобразователе:
pI,
где:
pA - давление в порту A.
pI - давление в конвертере.
Аналогично, термическое сопротивление между портом Н и внутренним пространством преобразователя принимается незначительным. Градиент температуры между ними равен приблизительно нулю. Поэтому температура в канале Н равна температуре в преобразователе:
TI,
где:
TH - температура в порту H.
TI - температура в конвертере.
Объем жидкости в конвертере представляет собой сумму мертвых и смещенных объемов жидкости. Мертвый объем - это количество жидкости, оставшееся в конвертере при нулевом угле раздела. Этот объем позволяет моделировать эффекты динамической сжимаемости и тепловой емкости, даже если интерфейс находится в нулевом положении.
Объем смещения представляет собой количество текучей среды, добавляемой к преобразователю за счет вращения подвижной поверхности раздела. Этот объем увеличивается с углом интерфейса. Общий объем в преобразователе как функция угла интерфейса равен
где:
V - общий объем жидкости в преобразователе.
Vdead - мертвый объём преобразователя.
Dvol - объем вытесненной жидкости на единицу вращения границы раздела.
startint - угол поворота движущегося интерфейса.
∊or - механическая ориентация преобразователя (1 если повышение давления жидкости вызывает положительное вращение R относительно С, -1 если повышение давления жидкости вызывает отрицательное вращение R относительно С).
При подключении преобразователя к соединению Multibody используйте порт ввода физического сигнала q для задания поворота порта R относительно порта C. В противном случае блок вычисляет поворот интерфейса по относительным угловым скоростям порта в соответствии с блочными уравнениями. Поворот границы раздела равен нулю, когда объем текучей среды равен мертвому объему. Затем, в зависимости от значения параметра Ориентация Mechanical (Mechanical orientation):
Если Pressure at A causes positive rotation of R relative to C, вращение границы раздела увеличивается, когда объем текучей среды увеличивается от мертвого объема.
Если Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, вращение границы раздела уменьшается, когда объем текучей среды увеличивается от мертвого объема.
При равновесии внутреннее давление в преобразователе противодействует внешнему давлению окружающей его среды и крутящему моменту, оказываемому механической сетью на поверхность раздела. Этот крутящий момент является обратным по отношению к крутящему моменту, приложенному жидкостной сетью. Таким образом, баланс крутящего момента в преобразователе
где:
patm - давление окружающей среды вне преобразователя.
tint - величина крутящего момента, создаваемого гидравлической сетью на поверхности раздела.
Общая энергия в конвертере может изменяться из-за потока энергии через вход, потока тепла через стенку конвертера и работы, выполняемой на механической сети. Таким образом, расход энергии, определяемый уравнением энергосбережения, равен
где:
E - общая энергия текучей среды в преобразователе.
β A - расход энергии в преобразователь через порт A.
ϕH уровень теплового потока в конвертер через порт H.
Принимая кинетическую энергию текучей среды в конвертере как незначительную, общая энергия текучей среды уменьшается до:
MuI,
где:
М - масса жидкости в конвертере.
uI - удельная внутренняя энергия текучей среды в преобразователе.
Масса текучей среды в конвертере может изменяться из-за потока через вход, представленный портом А. Массовый расход, заданный уравнением сохранения массы, поэтому
где:
- массовый расход в преобразователь через порт A.
Изменение массы текучей среды может сопровождать изменение объема текучей среды вследствие вращения подвижной границы раздела. Это также может сопровождать изменение плотности массы вследствие изменения давления или удельной внутренней энергии в конвертере. Массовая скорость изменения в преобразователе тогда
pu˙I]V+Dvolθ˙intϵorvI,
где:
u - частная производная плотности по отношению к давлению при постоянной удельной внутренней энергии.
p - частная производная плотности относительно удельной внутренней энергии при постоянном давлении.
vI - удельный объем жидкости в преобразователе.
Блок смешивает частные производные плотности различных доменов с помощью кубической полиномиальной функции. При качестве пара 0-0,1 эта функция смешивает производные переохлажденной жидкости и двухфазной смеси доменов. При качестве пара 0,9-1 он смешивает домены двухфазной смеси и перегретого пара.
Сглаженные частные производные плотности вводят в исходное уравнение сохранения массы нежелательные числовые ошибки. Чтобы исправить эти ошибки, блок добавляет поправочный член
где:
∊M - поправочный термин.
λ - постоянная времени фазового изменения - характерная длительность события фазового изменения. Эта постоянная гарантирует, что фазовые изменения не происходят мгновенно, эффективно вводя временную задержку всякий раз, когда они происходят.
Конечной формой уравнения сохранения массы является
pu˙I]V+Dvolθ˙intϵorvI=m˙A+ϵM.
Блок использует это уравнение для вычисления внутреннего давления в конвертере с учетом массового расхода через вход.
Стенки преобразователя выполнены жесткими. Они не деформируются под давлением.
Сопротивление потоку между портом А и внутренним пространством преобразователя является незначительным. Давление одинаковое в порту А и во внутренней части преобразователя.
Тепловое сопротивление между портом Н и внутренней частью преобразователя ничтожно мало. Температура одинакова в порту H и во внутренней части преобразователя.
Подвижный интерфейс полностью герметизирован. Утечка жидкости через поверхность раздела отсутствует.
Механические эффекты, такие как жесткие упоры, инерция и трение, игнорируются.
Выравнивание движущейся границы раздела относительно объема жидкости в преобразователе:
Pressure at A causes positive rotation of R relative to C - Увеличение объема жидкости приводит к положительному вращению канала R относительно канала C.
Pressure at A causes negative rotation of R relative to C - Увеличение объема жидкости приводит к отрицательному вращению канала R относительно канала C.
Выберите метод определения поворота порта R относительно порта C:
Calculate from velocity of port R relative to port C - Расчет вращения по относительным скоростям порта на основе блочных уравнений. Это метод по умолчанию.
Provide input signal from Multibody joint - Разрешите входному физическому сигнальному порту q передавать информацию о повороте из соединения Multibody. Этот метод используется только при подключении преобразователя к соединению Multibody с помощью блока Rotational Multibody Interface. Дополнительные сведения см. в разделе Как передать информацию о позиции.
Угол перемещения интерфейса в начале моделирования. Нулевой угол соответствует общему объему текучей среды в преобразователе, равному заданному мертвому объему. Значение по умолчанию: 0 рад.
Если механическая ориентация Pressure at A causes positive rotation of R relative to Cзначение параметра должно быть больше или равно 0.
Если механическая ориентация Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, значение параметра должно быть меньше или равно 0.
Этот параметр активируется, если для параметра Interface rotation установлено значение Calculate from velocity of port R relative to port C.
Смещенный объем жидкости на единицу вращения подвижной границы раздела. Значение по умолчанию: 0.01 m^3/ рад.
Объем жидкости, оставшийся в преобразователе, когда угол раздела равен нулю. Мертвый объем позволяет блоку учитывать накопление массы и энергии в преобразователе даже под нулевым углом раздела. Значение по умолчанию: 1e-5 м ^ 3.
Площадь потока на входе в преобразователь, представляемая портом А. Потери давления из-за изменения площади потока внутри преобразователя игнорируются. Значение по умолчанию: 0.01 м ^ 2.
Характеристики давления окружающей среды. Выбрать Atmospheric pressure для установки давления окружающей среды на атмосферное давление, указанное в блоке «Свойства двухфазной текучей среды» (2P). Выбрать Specified pressure для установки другого значения давления окружающей среды. Значение по умолчанию: Atmospheric pressure.
Абсолютное давление окружающей среды. Давление окружающей среды действует против внутреннего давления преобразователя и влияет на движение вала преобразователя. Этот параметр активен только в том случае, если для параметра Environment pressure specification установлено значение Specified pressure. Значение по умолчанию, 0.101325 МПа, соответствует атмосферному давлению на среднем уровне моря.
Термодинамическая переменная, в терминах которой определяются исходные условия компонента. Значение по умолчанию: Temperature.
Давление в камере в начале моделирования, заданное против абсолютного нуля. Значение по умолчанию: 0.101325 МПа.
Температура в камере в начале моделирования, заданная против абсолютного нуля. Этот параметр активен, если для опции Начальная спецификация энергии текучей среды (Initial fluid energy specification) установлено значение Temperature. Значение по умолчанию: 293.15 K.
Массовая доля пара в камере в начале моделирования. Этот параметр активен, если для опции Начальная спецификация энергии текучей среды (Initial fluid energy specification) установлено значение Vapor quality. Значение по умолчанию: 0.5.
Объемная доля пара в камере в начале моделирования. Этот параметр активен, если для опции Начальная спецификация энергии текучей среды (Initial fluid energy specification) установлено значение Vapor void fraction. Значение по умолчанию: 0.5.
Специфическая энтальпия жидкости в камере в начале моделирования. Этот параметр активен, если для опции Начальная спецификация энергии текучей среды (Initial fluid energy specification) установлено значение Specific enthalpy. Значение по умолчанию: 1500 кДж/кг.
Удельная внутренняя энергия жидкости в камере в начале моделирования. Этот параметр активен, если для опции Начальная спецификация энергии текучей среды (Initial fluid energy specification) установлено значение Specific internal energy. Значение по умолчанию: 1500 кДж/кг.
Характерная продолжительность события фазового изменения. Эта константа вносит временной лаг в переход между фазами. Значение по умолчанию: 0.1 s.
Блок имеет следующие порты:
AДвухфазное отверстие для сохранения текучей среды, связанное с входом преобразователя.
HТеплосберегающее отверстие, представляющее поверхность преобразователя, через которую происходит теплообмен.
RМЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВОРОТНОЕ ЗАЩИТНОЕ ОТВЕРСТИЕ, СВЯЗАННОЕ С РОТОРОМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ.
CМеханический порт экономии вращения, связанный с корпусом преобразователя.
PПорт ввода физического сигнала, который передает информацию о положении из соединения Simscape™ Multibody™. Подключите этот порт к порту q определения положения соединения. Дополнительные сведения см. в разделе Подключение сетей Simscape к множественным соединениям Simscape. Чтобы включить этот порт, установите для параметра Interface rotation значение Provide input signal from Multibody joint.