Библиотека Moist Air содержит базовые элементы, такие как резервуары, камеры и пневмомеханические преобразователи, а также датчики и источники. Эти блоки используются для моделирования систем ОВКВ, систем контроля окружающей среды и других подобных приложений.
К соответствующим отраслям относятся автомобильная, аэрокосмическая, строительная. Ключевым аспектом этих приложений является необходимость отслеживания уровней влажности в различных частях модели с течением времени. Домен влажного воздуха - газовый домен двух видов, где видами являются воздух и водяной пар. Кроме того, водяной пар может конденсироваться из системы. Этот эффект важен для систем ОВКВ, поскольку скрытая теплота конденсации воды влияет на термодинамику потока жидкости.
Влажная воздушная смесь состоит из сухого воздуха и водяного пара. Следовой газ является необязательным третьим видом во влажной воздушной смеси. Примером использования следовых газов является отслеживание диоксида углерода и таких загрязнителей, как оксиды азота (NOx). Свойства влажного воздуха в соединенном контуре задаются с помощью блока «Свойства влажного воздуха» (MA). Этот блок также предоставляет несколько опций для моделирования свойств газа трассировки. Вы увеличиваете и уменьшаете уровни влаги и газа в воздушной смеси, используя блоки в библиотеке источников влаги и газа (см. Моделирование уровней влаги и газа).
Предполагается, что все виды газа в смеси являются полужесткими газами. Это означает, что давление, температура и плотность подчиняются идеальному закону газа. Другое properties―specific теплосодержание, удельная теплоемкость, динамическая вязкость и тепловые conductivity―are функции температуры только.
Используйте домен и библиотеку Moist Air для выполнения следующих задач:
Разработка требований к системе ОВКВ для окружающей среды, такой как здание, автомобиль или самолет
Обеспечить приемлемую температуру, давление, влажность и конденсацию в окружающей среде
Определение производительности системы ОВКВ в соответствии с требованиями к отоплению, охлаждению и осушению
Анализ производительности, эффективности и стоимости системы ОВКВ
Проверка модели системы ОВКВ на соответствие данным испытаний
Проектирование и моделирование компонентов ОВКВ и настройка моделей компонентов для тестирования данных установки
Моделирование моделей, включая систему ОВКВ, модель среды и контроллер
Проектирование контроллеров для клапанов, вентиляторов и компрессоров для обеспечения безопасной и оптимальной работы
Провести HIL-тестирование
Переменными Поперек являются давление, температура, удельная влажность (массовая доля водяного пара) и массовая доля следового газа. Сквозными переменными являются массовый расход смеси, расход энергии смеси, массовый расход водяного пара и массовый расход следового газа. Обратите внимание, что эти варианты приводят к графу псевдоблигации, поскольку произведение переменных Поперек и Через не является степенным.
Существует отдельная область для моделирования уровней влаги и следовых газов в системах влажного воздуха. Дополнительные сведения см. в разделе Домен источника влажного воздуха.
Свойства жидкости по умолчанию для библиотеки влажного воздуха соответствуют сухому воздуху, водяному пару и диоксиду углерода (необязательный следовый газ). Однако можно изменить свойства жидкости в блоке «Свойства влажного воздуха» (MA) для моделирования смесей других газов и паров. Можно заменить сухой воздух и углекислый газ другими видами газа. Можно также заменить водяной пар на другой конденсирующий пар (или даже на другой неконденсирующийся газ, подавая достаточно большие значения для давления насыщения, чтобы оно никогда не достигало насыщения во время моделирования). Таким образом можно смоделировать любую газовую смесь трех видов.
Предполагается, что все виды газа в смеси являются полужесткими газами. Это означает, что давление p, температура T и плотность, составляющие, подчиняются закону идеального газа:
= αgRgT,
где R - удельная газовая постоянная. Нижние индексы а, w и g обозначают соответственно сухой воздух, водяной пар и следовый газ.
Закон Далтона применяется к идеальным газам:
+ pg.
Поэтому смесь также подчиняется идеальному газовому закону:
δRT,
где:
xwRw + xgRg.
xa, xw и xg - массовые доли сухого воздуха, водяного пара и следового газа соответственно.
Предполагается, что другие свойства каждого компонента являются только функциями температуры:
ha (T), hw (T), hg (T) ― Специфическая энтальпия сухого воздуха, водяного пара и следового газа соответственно .
мка (Т), мкв (Т), мкг (Т) ― Динамическая вязкость сухого воздуха, водяного пара и следового газа соответственно .
ka (T), kw (T), kg (T) ― Теплопроводность сухого воздуха, водяного пара и следового газа соответственно.
Для идеальных газов энтальпия смешения равна нулю. Следовательно, специфическая энтальпия смеси представляет собой комбинацию специфической энтальпии компонентов на основе их массовых долей:
xghg (T).
Можно вычислить энтропию смешивания из молярных фракций:
xgRgln (yg),
где ya, yw и yg - молярные доли сухого воздуха, водяного пара и следового газа соответственно.
Следовательно, специфическая энтропия смеси
+ Δsmix.
В уравнениях, описывающих свойства влажности и следового газа, используются эти символы и определения свойств. Нижние индексы a, w, и g указывают свойства сухого воздуха, водяного пара и следового газа соответственно. Нижний индекс ws указывает водяной пар при насыщении.
| Символ | Собственность | Определение |
|---|---|---|
| p | Давление | Давление влажной воздушной смеси (в отличие от парциального давления водяного пара или парциального давления следового газа). |
| T | Температура | Температура сухой колбы, которая является температурой в общем термодинамическом смысле. (Температура мокрой колбы - это другое количество, которое измеряет уровень влаги.) |
| R | Удельная газовая константа | Универсальная газовая постоянная, деленная на молярную массу вида. Удельная газовая константа смеси равна xgRg. |
| φw | Относительная влажность | Моли водяного пара как доля молей водяного пара, необходимых для насыщения при той же температуре. Давление насыщения водяного пара является свойством воды и является функцией только температуры, pws (T). Закон идеального газа (из-за предполагаемого полупроницаемого газа) означает, что молярная доля эквивалентна доле парциального давления. Молярная доля yw не может быть больше 1. Поэтому при высокой температуре или низком давлении может оказаться невозможным достичь относительной влажности 1 . ywppws (T) |
| xw | Удельная влажность | Масса водяного пара как доля от общей массы влажной воздушной смеси. Это еще один термин для массовой доли водяного пара. Возможно, невозможно достичь удельной влажности 1 из-за насыщения. |
| yw | Молярная доля водяного пара | Моли водяного пара в виде доли от общего количества молей влажной воздушной смеси. Возможно, невозможно достичь мольной доли водяного пара 1 из-за насыщения. pwp |
| rw | Коэффициент влажности | Отношение массы водяного пара к массе сухого воздуха и следового газа. Для условий типичного применения ОВКВ она близка к удельной влажности. + Mg |
| ρw | Абсолютная влажность | Масса водяного пара по объему влажной воздушной смеси. Это еще один термин для плотности водяного пара. MwV |
| xg | Массовая доля следового газа | Масса следового газа как доля от общей массы влажной воздушной смеси. |
| yg | Молярная доля следового газа | Моли следового газа в виде доли от общего количества молей влажной воздушной смеси. pgp |
Молярная доля водяного пара относится к удельной влажности (то есть к массовой доле) следующим образом:
RwRxw.
Молярная доля следового газа относится к массовой доле следового газа следующим образом:
RgRxg.
Компоненты во влажном воздушном домене моделируются с использованием контрольных объемов. Контрольный объем охватывает влажный воздух внутри компонента и отделяет его от окружающей среды и других компонентов. Потоки воздуха и тепловые потоки по поверхности управления представлены окнами. Объем влажного воздуха внутри компонента представлен с использованием внутреннего узла. Этот внутренний узел не виден, но к его параметрам и переменным можно обратиться с помощью Simscape™ регистрации данных. Дополнительные сведения см. в разделе Сведения о протоколировании данных моделирования.
Для объема влажного воздуха необходимо указать давление, температуру, уровень влаги и уровень следового газа. Дополнительные сведения см. в разделе Начальные условия для блоков с конечным объемом влажного воздуха.
Следующие блоки в библиотеке Moist Air смоделированы как компоненты с объемом влажного воздуха. В случае блоков управляемого резервуара (МА) и резервуара (МА) объем предполагается бесконечно большим.
| Блок | Объем газа |
|---|---|
| Камера постоянного объема (MA) | Конечный |
| Труба (MA) | Конечный |
| Вращательный механический преобразователь (MA) | Конечный |
| Трансляционный механический преобразователь (MA) | Конечный |
| Резервуар (MA) | Бог |
| Регулируемый резервуар (MA) | Бог |
Другие компоненты имеют относительно небольшие объемы влажного воздуха, так что воздушная смесь, поступающая в компонент, проводит незначительное время внутри компонента перед выходом. Эти компоненты считаются квазистационарными и не имеют внутреннего узла.
В отличие от механических и электрических областей, где каждая топологически отдельная цепь в пределах области должна содержать по меньшей мере один опорный блок, сети влажного воздуха имеют разные правила заземления.
Блоки с объемом влажного воздуха содержат внутренний узел, который обеспечивает давление, температуру, уровень влаги и уровень следового газа внутри компонента и, следовательно, служит опорным узлом для сети влажного воздуха. Каждая подключенная сеть влажного воздуха должна иметь по меньшей мере один опорный узел. Это означает, что каждая подключенная сеть влажного воздуха должна иметь по крайней мере один из блоков, перечисленных в списке Блоки с объемом влажного воздуха. Другими словами, сеть влажного воздуха, которая не содержит объема воздуха, является недопустимой сетью.
Библиотека Foundation Moist Air содержит блок Absolute Reference (MA), но, в отличие от других доменов, вы не используете его для заземления цепей влажного воздуха. Назначение блока абсолютного эталона (MA) состоит в предоставлении эталона для блока датчика давления и температуры (MA). При использовании блока Абсолютная привязка (MA) в другом месте сети влажного воздуха он запускает моделирование, поскольку давление и температура воздушной смеси не могут быть равны абсолютному нулю.
В этом разделе рассматриваются конкретные требования к инициализации блоков, смоделированных с конечным объемом влажного воздуха. Эти блоки перечислены в списке «Блоки с влажным объемом воздуха».
Жидкими состояниями объема влажного воздуха являются давление, температура, уровень влаги и уровень следового газа. Эти жидкие состояния динамично развиваются на основе сохранения массы смеси, сохранения массы водяного пара, сохранения массы следового газа и сохранения энергии смеси. Поэтому необходимо задать начальные условия для этих блоков, чтобы определить начальные состояния текучей среды. Диалоговое окно каждого блока, смоделированного с конечным объемом влажного воздуха, имеет вкладку Переменные (Variables), которая позволяет задать начальные условия. Для обеспечения согласованных начальных условий укажите высокоприоритетные цели для четырех переменных:
Давление объема влажного воздуха
Температура объема влажного воздуха
Одна из переменных, представляющих уровень влажности:
Относительная влажность объема влажного воздуха
Удельная влажность объема влажного воздуха
Молярная доля водяного пара объема влажного воздуха
Влажность объема влажного воздуха
Одна из переменных, представляющих уровень следового газа:
Доля массы следового газа в объеме влажного воздуха
Молярная доля следового газа объема влажного воздуха
Важно, чтобы только четыре переменные, как описано, установили свои приоритеты High для каждого блока с конечным объемом влажного воздуха. Наложение высокоприоритетных ограничений на дополнительные переменные приводит к чрезмерной конкретизации, при этом решатель не может найти решение инициализации, удовлетворяющее требуемым начальным значениям. Установить приоритет остальных переменных как None. Для преобразования значений из одного измерения влажности или газа трассировки в другое можно использовать уравнения в разделах Определения свойств газа трассировки и Параметры моделирования газа трассировки. Дополнительные сведения о инициализации переменных и работе с избыточной спецификацией см. в разделе Инициализация переменных для системы масса-пружина-демпфер.
Состояние текучей среды объема влажного воздуха в этих блоках сообщается портом выхода физического сигнала F. Соедините порт F с блоком селектора измерений (МА) для извлечения измерений давления, температуры, уровня влаги и уровня следового газа во время моделирования.
В блоках, моделируемых с бесконечно большим объёмом влажного воздуха, состояние объёма предполагается квазистадийным и нет необходимости задавать начальное условие. Вместо этого эти блоки представляют граничные условия для сети влажного воздуха.
Блоки с конечным объемом влажного воздуха (перечисленные в списке «Блоки с объемом влажного воздуха») могут насыщаться, когда относительная влажность «фw» достигает относительной влажности при насыщении «фw». Насыщенное состояние представляет собой максимальное количество влаги, которое объем влажного воздуха может удерживать при этом давлении и температуре. Любая дополнительная влага конденсируется в жидкой воде.
По определению относительная влажность при насыщении равна 1. Тем не менее, для моделирования некоторого эмпирического эффекта или другого явления можно задать другое значение. Когда αws > 1, парциальное давление водяного пара может стать больше, чем давление насыщения водяного пара. Когда αws < 1, влага может конденсироваться до того, как парциальное давление водяного пара достигнет давления насыщения водяного пара.
Конденсация не происходит мгновенно. Следовательно, возможно, чтобы фw было немного больше, чем фw. Константа времени конденсации представляет собой характеристическое время, необходимое для конденсации достаточного количества влаги, чтобы вернуть фw в фws. Большее значение постоянной времени приводит к тому, что фw превышает фws в большей степени, но является более численно устойчивым.
Считается, что влага, которая конденсируется, покидает сеть влажного воздуха, поэтому масса и энергия конденсированной жидкой воды вычитается из объема влажного воздуха. Скорость конденсации сообщается портом выхода физического сигнала W. Если вы хотите смоделировать поток конденсированной жидкой воды, вы можете использовать скорость конденсации в качестве входа для другой сети текучей среды (гидравлической, термической жидкости, двухфазной жидкости или другой сети влажного воздуха). В следующем примере показано, как использовать тепловую жидкую сеть для моделирования конденсата, который стекает из камеры постоянного объема (MA) через трубу.
При наличии лицензии Simscape Fluids™ можно также использовать блок Tank (TL) для моделирования поддона сбора конденсата. Уровень жидкости в резервуаре представляет собой количество конденсата, собранного, но еще не слитого из резервуара.
Поток влажного воздуха через блоки локального ограничения (МА), переменного локального ограничения (МА) или трубы (МА) может подавиться. Дросселирование происходит, когда скорость потока достигает локальной скорости звука. Когда поток дросселируется, скорость в точке дросселирования не может еще больше увеличиваться. Однако массовый расход все еще может увеличиваться, если увеличивается плотность воздушной смеси. Это может быть достигнуто, например, путем увеличения давления выше по потоку от точки дросселирования. Эффект дросселирования на сети влажного воздуха заключается в том, что массовый расход через ответвление, содержащее дросселируемый блок, полностью зависит от давления и температуры выше по потоку. Пока поддерживается состояние дросселирования, этот ударопрочный массовый расход не зависит от любых изменений, происходящих в давлении ниже по потоку.
Следующая модель иллюстрирует подавленный поток. В этой модели блок пандуса имеет наклон 0,005 и время начала 10. Блок преобразователя Simulink-PS имеет блок входного сигнала, установленный в MPa. Все остальные блоки имеют значения параметров по умолчанию. Время моделирования составляет 50 с. При моделировании модели давление в порту A блока локального ограничения (MA) линейно увеличивается от атмосферного давления, начиная с 10. Давление в порту B фиксируется при атмосферном давлении.
На следующих двух графиках показаны записанные данные моделирования для блока локального ограничения (MA). Число Маха при ограничении (Маха) достигает 1 примерно через 20 с, что указывает на подавление потока. Массовый расход (mdot_A) перед подавлением потока следует типичному квадратичному поведению по отношению к возрастающей разности давлений. Однако массовый расход после дросселирования потока становится линейным, потому что массовый расход дросселирования зависит только от давления и температуры выше по потоку, и давление выше по потоку линейно увеличивается.
Тот факт, что массовый расход дросселирования зависит только от условий выше по потоку, может вызвать несовместимость с источником массового расхода (МА) или блоком источника контролируемого массового расхода (МА), подключенным ниже по потоку от дроссельного блока. Рассмотрим эту модель, которая содержит блок источника управляемого массового расхода (MA) вместо блока источника управляемого давления (MA).
Если источник дает команду увеличить массовый расход слева направо через блок локального ограничения (МА), моделирование будет успешным, даже если поток станет подавленным, потому что блок источника управляемого массового расхода (МА) будет находиться выше по потоку от дросселируемого блока. Однако в этой модели блок усиления изменяет направление потока на противоположное, так что блок источника управляемого массового расхода (МА) находится ниже по потоку от дросселируемого блока. Давление перед блоком локального ограничения (МА) фиксируется при атмосферном давлении. Следовательно, ударный массовый расход в этой ситуации является постоянным. По мере увеличения заданного массового расхода он, в конечном счете, будет больше, чем это постоянное значение подавленного массового расхода. В этот момент командный массовый расход и подавленный массовый расход не могут быть согласованы, и моделирование не выполняется. Просмотр записанных данных моделирования в обозревателе результатов Simscape показывает, что моделирование завершается неудачей только в момент, когда число Маха достигает 1 и поток подавляется.
В общем случае, если модель, вероятно, захлебнется, используйте источники давления, а не источники массового расхода. Если модель содержит блоки источника массового расхода, и моделирование завершается неуспешно, используйте обозреватель результатов Simscape для проверки переменных числа Маха во всех блоках локального ограничения (MA), переменного локального ограничения (MA) и трубопровода (MA), соединенных вдоль той же ветви, что и источник массового расхода. Если сбой при моделировании происходит, когда число Маха достигает 1, вероятно, что существует источник массового расхода ниже по потоку, пытающийся ввести массовый расход, превышающий возможный массовый расход дросселирования.