Control Volume System

Термодинамическая система открытия постоянного объема с теплопередачей

Библиотека:
Блок Силового Агрегата/Двигатель/Компоненты Engine Сгорания/Основной Поток

Описание

Блок Control Volume System моделирует открытую термодинамическую систему постоянного объема с теплопередачей. Блок использует сохранение массы и энергии, принимая идеальный газ, чтобы определить давление и температуру. Блок реализует специфичный для автомобиля Constant Volume Pneumatic Chamber блок, который включает термальные эффекты, связанные с подколпаком пассажирских транспортных средств. Можно задать модели теплопередачи:

Постоянный
Внешний вход
Конвекция наружной стенки

Можно использовать блок Control Volume System, чтобы представлять компоненты двигателя, которые содержат объем, включая трубопроводы и манифольды.

Термодинамика

Блок Control Volume System реализует ёмкость постоянного объема, содержащую идеальный газ. Чтобы определить изменения скорости в температуре и давлении, блок использует уравнение непрерывности и первый закон термодинамики.

$\begin{array}{l} \frac{d T_{v o l}}{d t} = \frac{R T_{v o l}}{c_{v} V_{c h} P_{v o l}} (\sum (q_{i} - T_{v o l} c_{v} {\dot{m}}_{i}) - Q_{w a l l}) \\ \frac{d P_{v o l}}{d t} = \frac{P_{v o l}}{T_{v o l}} \frac{d T_{v o l}}{d t} + \frac{R T_{v o l}}{V_{c h}} \sum {\dot{m}}_{i} \end{array}$

Блок использует это уравнение для объемно-специфической энтальпии.

$h_{v o l} = c_{p} T_{v o l}$

В уравнениях используются эти переменные.

${\dot{m}}_{i}$	Массовый расход жидкости в порту
_qi	Скорость потока жидкости в порту
_Vch	Объем ёмкости
_Pvol	Абсолютное давление в ёмкости
R	Идеальная газовая константа
_cv	Удельное тепло при постоянном объеме
_Tvol	Абсолютная температура газа
_Qwall	Скорость теплопередачи стенки
_hvol	Объемно-специфическая энтальпия
_cp	Удельная теплоемкость

Массовые дроби

Блок Control Volume Source является частью сети потока. Блоки в сети определяют массовые доли, которые блок будет отслеживать во время симуляции. Блок может отслеживать эти массовые дроби:

O2 - Кислород
N2 - Азот
UnburnedFuel - несгоревшее топливо
CO2 - Диоксид углерода
H2O - Вода
CO - Монооксид углерода
NO - Оксид азота
NO2 - Диоксид азота
PM - Твердые частицы
Air - Воздух
BurnedGas - Сжигаемый газ

Используя сохранение массы для каждой газовой составляющей, это уравнение определяет изменение скорости:

$\frac{d y_{v o l, j}}{d t} = \frac{R T_{v o l}}{P_{v o l} V_{c h}} (\sum {\dot{m}}_{i} y_{i, j} + y_{v o l, j} \sum {\dot{m}}_{i})$

В уравнениях используются эти переменные.

_Vch	Объем ёмкости
_Pvol	Абсолютное давление в ёмкости
R	Идеальная газовая константа
_Tvol	Абсолютная температура газа
_yi,j	I-я массовая доля порта для j = _O2, _N2, несгоревшего топлива, _CO2, _H2O, CO, NO, _NO2, PM, воздуха и сжигаемого газа
_yvol,j	Управляйте объемной массовой долей для j = _O2, _N2, несгоревшего топлива, _CO2, _H2O, CO, NO, _NO2, PM, воздуха и сжигаемого газа
${\dot{m}}_{i}$	Массовый расход жидкости для i = O2_, N2_, несгоревшего топлива, CO2_, _H2O, CO, NO, NO2_, PM, воздуха и сжигаемого газа

Модель теплопередачи конвекции внешних стенок

Чтобы вычислить теплопередачу, можно сконфигурировать Control Volume Source блок, чтобы вычислить теплопередачу через стенку управляющего объема.

Блок реализует эти уравнения, чтобы вычислить теплопередачу, _Q1, от внутреннего регулирующего объема газа до глубины внутренней стенки, _{Dint_cond}.

$Q_{1} = Q_{1, c o n v} = Q_{1, c o n d}$

$Q_{1, c o n v} = h_{i n t} (x_{i n t}) • A_{i n t_c o n v} • (T_{i n t_g a s} - T_{w_i n t})$

$Q_{1, c o n d} = k_{i n t} • \frac{A_{i n t_c o n d}}{D_{i n t_c o n d}} • (T_{w_i n t} - T_{m a s s})$

Блок реализует эти уравнения, чтобы вычислить теплопередачу, _Q2, от глубины внешней стенки, _{Dext_cond} к внешнему газу.

$Q_{2} = Q_{2, c o n v} = h_{e x t} (x_{e x t}) • A_{e x t_c o n v} • (T_{w_e x t} - T_{e x t_g a s})$

$Q_{2, c o n d} = k_{e x t} • \frac{A_{e x t_c o n d}}{D_{e x t_c o n d}} • (T_{m a s s} - T_{w_e x t})$

Это уравнение выражает тепло, сохраненное в тепловой массе.

$\frac{d T_{m a s s}}{d t} = \frac{Q_{1} - Q_{2}}{c_{p_{w a l l}} m_{w a l l}}$

Блок определяет коэффициент теплопередачи внутренней конвекции, используя интерполяционную таблицу, которая является функцией среднего массового расхода жидкости.

${\dot{m}}_{i n t_g a s} = \frac{1}{2} \sum | {\dot{m}}_{i} |$

В уравнениях используются эти переменные.

_Q1	Тепловой поток от внутреннего газа до заданной глубины стенки
_Q1,conv	Конвекция теплового потока от внутреннего газа к внутренней стенке
_Q1,cond	Скорость теплопередачи проводимости
_Q2	Скорость теплопередачи
_Q2,conv	Конвекционная теплопередача
_Q2,cond	Тепловой поток от внешнего среднего фрагмента стенки к внешней стене
_Qmass	Тепло, сохраненное в тепловой массе
_hint	Коэффициент теплопередачи внутренней конвекции
_xint	Внутренние массовые расходы жидкости точки останова
_{Aint_conv}	Зона конвекции внутреннего потока
_{Tint_gas}	Температура газа внутри ёмкости
_{Tw_int}	Температура внутренней стенки ёмкости
_kint	Теплопроводность внутренней стенки
_{Aint_cond}	Зона внутренней проводимости
_{Dint_cond}	Толщина внутренней стенки
_hext	Коэффициент теплопередачи внешней конвекции
_xext	Внешние точки прерывания скорости
_{Aext_conv}	Внешняя зона конвекции
_{Text_gas}	Температура внешнего газа
_{Tw_ext}	Температура наружной стенки ёмкости
_kext	Теплопроводность наружной стенки
_{Aext_cond}	Зона внешней проводимости
_{Dext_cond}	Толщина наружной стенки
_Tmass	Температура тепловой массы
_{cp_wall}	Теплоемкость стенки
_mwall	Тепловая масса
_Flwspd	Скорость внешнего потока
${\dot{m}}_{i n t_g a s}$	Средний внутренний массовый расход жидкости

Учет степени

Для учета степени блок реализует это уравнение на основе количества входного и выходного портов.

Сигнал шины Описание Уравнения

Сигнал шины	Описание	Уравнения
`PwrInfo`	`PwrTrnsfrd` - Степень между блоками Положительные сигналы указывают на поток в блок Отрицательные сигналы указывают на выход из блока	`PwrHeatFlw i`	Портовые `i` тепловой поток	_qi
`PwrNotTrnsfrd` - Степень через контур блока, но не переданный Положительные сигналы указывают на вход Отрицательные сигналы указывают на потерю	`PwrHeatTrnsfr`	Скорость теплопередачи от стенки до объема регулирования	- _Qwall
`PwrStored` - Сохраненная скорость изменения энергии Положительные сигналы указывают на увеличение Отрицательные сигналы указывают на уменьшение	`PwrHeatStored`	Скорость тепла, сохраненная в управляющем объеме	$(\sum^{} (q_{i}) - Q_{w a l l})$

PwrInfo

PwrTrnsfrd - Степень между блоками

Положительные сигналы указывают на поток в блок
Отрицательные сигналы указывают на выход из блока

PwrHeatFlw i

Портовые i тепловой поток

_qi

PwrNotTrnsfrd - Степень через контур блока, но не переданный

Положительные сигналы указывают на вход
Отрицательные сигналы указывают на потерю

PwrHeatTrnsfr

Скорость теплопередачи от стенки до объема регулирования

- _Qwall

PwrStored - Сохраненная скорость изменения энергии

Положительные сигналы указывают на увеличение
Отрицательные сигналы указывают на уменьшение

PwrHeatStored

Скорость тепла, сохраненная в управляющем объеме

$(\sum^{} (q_{i}) - Q_{w a l l})$

Например, если вы конфигурируете свой блок с 3 входными портами и 2 выходными портами, блок реализует эти уравнения

Сигнал шины			Описание	Уравнения
`PwrInfo`	`PwrTrnsfrd` - Степень между блоками Положительные сигналы указывают на поток в блок Отрицательные сигналы указывают на выход из блока	`PwrHeatFlw1`	Входной порт 1 теплового потока	_q1
		`PwrHeatFlw2`	Входной порт 2 тепловой поток	_q2
		`PwrHeatFlw3`	Входной порт 3 тепловой поток	_q3
		`PwrHeatFlw4`	Выходной порт 4 тепловой поток	_q4
		`PwrHeatFlw5`	Выходной порт 5 теплового потока	_q5
	`PwrNotTrnsfrd` - Степень через контур блока, но не переданный Положительные сигналы указывают на вход Отрицательные сигналы указывают на потерю	`PwrHeatTrnsfr`	Скорость теплопередачи от стенки до объема регулирования	- _Qwall
	`PwrStored` - Сохраненная скорость изменения энергии Положительные сигналы указывают на увеличение Отрицательные сигналы указывают на уменьшение	`PwrHeatStored`	Скорость тепла, сохраненная в управляющем объеме	$(\sum^{} (q_{i}) - Q_{w a l l})$

Порты

Вход

расширить все

`C` - Массовый расход входного отверстия, расход тепла, массовые доли
двухсторонний порт соединителя

Шина, содержащая:

MassFlw - Массовый расход жидкости через вход, в кг/с
HeatFlw - Расход тепла на входе, в Дж/с
MassFrac - Массовые фракции входного отверстия, безразмерные.
В частности, шина с этими массовыми фракциями:
- O2MassFrac - Кислород
- N2MassFrac - Азот
- UnbrndFuelMassFrac - несгоревшее топливо
- CO2MassFrac - Диоксид углерода
- H2OMassFrac - Вода
- COMassFrac - Монооксид углерода
- NOMassFrac - Оксид азота
- NO2MassFrac - Диоксид азота
- NOxMassFrac - Оксид азота и диоксид азота
- PmMassFrac - Твердые частицы
- AirMassFrac - Воздух
- BrndGasMassFrac - Сжигаемый газ

Зависимости

Чтобы создать входные порты, задайте параметр Number of inlet ports.

`HeatTrnsfrRate` - Теплопередача
`scalar`

Внешний вход теплопередачи для регулирования объема, _qhe, в кг/с.

Зависимости

Чтобы создать этот порт, выберите External input для параметра Heat transfer model.

`ExtnlFlwVel` - Скорость внешнего потока
скаляр

Скорость внешнего потока, _Flwspd, в м/с.

Зависимости

Чтобы создать этот порт, выберите External wall convection для параметра Heat transfer model.

`ExtnlTemp` - Температура окружающей среды, К
`scalar`

Зависимости

Чтобы создать этот порт, выберите External wall convection для параметра Heat transfer model.

Выход

расширить все

`Info` - Сигнал шины
автобус

Сигнал шины, содержащий эти вычисления блоков.

Сигнал			Описание	Модули
`Vol`	`Prs`		Объемное давление	Pa
	`Temp`		Объемная температура	K
	`Enth`		Объемно-специфическая энтальпия	Дж/кг
	`Species`	`O2MassFrac`	Массовая доля кислорода	НА
		`N2MassFrac`	Массовая доля азота	НА
		`UnbrndFuelMassFrac`	Массовая доля несгоревшего газа	НА
		`CO2MassFrac`	Массовая доля диоксида углерода	НА
		`H2OMassFrac`	Массовая доля воды	НА
		`COMassFrac`	Массовая доля монооксида углерода	НА
		`NOMassFrac`	Массовая доля оксида азота	НА
		`NO2MassFrac`	Массовая доля диоксида азота	НА
		`NOxMassFrac`	Массовая доля оксида азота и диоксида азота	НА
		`PmMassFrac`	Массовая доля твердых частиц	НА
		`AirMassFrac`	Массовая доля воздуха	НА
		`BrndGasMassFrac`	Массовая доля сгоревшего газа	НА
`HeatTrnsfr`	`HeatTrnsfrRate`		Скорость теплопередачи стенки	Дж/с
	`MassFlw`		Средний внутренний массовый расход жидкости	кг/с
	`IntrnTemp`		Температура газа внутри ёмкости	K
`PwrInfo`	`PwrTrnsfrd`	`PwrHeatFlw i`	Портовые `i` тепловой поток	W
	`PwrNotTrnsfrd`	`PwrHeatTrnsfr`	Скорость теплопередачи от стенки до объема регулирования	W
	`PwrStored`	`PwrHeatStored`	Скорость тепла, сохраненная в управляющем объеме	W

`C` - Давление на выходе, температура, энтальпия, массовые фракции
двухсторонний порт соединителя

Шина, содержащая выходной регулирующий объем:

Prs - Давление в ёмкости, в Па
Temp - Температура газа, К
Enth - Специфическая энтальпия, в Дж/кг
MassFrac - Массовые фракции, безразмерные.
В частности, шина с этими массовыми фракциями:
- O2MassFrac - Кислород
- N2MassFrac - Азот
- UnbrndFuelMassFrac - несгоревшее топливо
- CO2MassFrac - Диоксид углерода
- H2OMassFrac - Вода
- COMassFrac - Монооксид углерода
- NOMassFrac - Оксид азота
- NO2MassFrac - Диоксид азота
- NOxMassFrac - Оксид азота и диоксид азота
- PmMassFrac - Твердые частицы
- AirMassFrac - Воздух
- BrndGasMassFrac - Сжигаемый газ

Зависимости

Чтобы создать выходные порты, задайте параметр Number of outlet ports.

Параметры

расширить все

Опции блока

`Number of inlet ports` - Количество портов
`1` (по умолчанию) | `0` | `2` | `3` | `4`

Количество входных портов.

Зависимости

Чтобы создать входные порты, укажите номер.

`Number of outlet ports` - Количество портов
`1` (по умолчанию) | `0` | `2` | `3` | `4`

Количество выходных портов.

Зависимости

Чтобы создать выходные порты, укажите номер.

`Heat transfer model` - Выбор модели
`Constant` (по умолчанию) | `External input` | `External wall convection`

Зависимости

Выбор Constant или External wall convection включает параметры Heat Transfer.

`Image type` - Цвет значка
`Cold` (по умолчанию) | `Hot`

Выберите цвет для значка блока:

Cold для синего
Hot для красного цвета

Общая информация

`Chamber volume, Vch` - Объем
`0.0029` (по умолчанию) | `scalar`

Объем ёмкости, _Vch, в м ^ 3.

`Initial chamber pressure, Pinit` - Давление
`101325` (по умолчанию) | `scalar`

Начальное давление в ёмкости, _Pvol, в Па.

`Initial chamber temperature, Tinit` - Температура
`298` (по умолчанию) | `scalar`

Начальная температура ёмкости, _Tvol, в К.

`Ideal gas constant, R` - Идеальная газовая константа
`287` (по умолчанию) | `scalar`

Идеальная газовая константа, R, в J/( кг * К).

`Specific heat capacity, cp` - Удельная теплота
`1005` (по умолчанию) | `scalar`

Удельная теплоемкость, _cp, в Дж/( кг· К).

Теплопередача

`Heat transfer rate, q_he` - Тариф
`0` (по умолчанию) | `scalar`

Постоянная скорость теплопередачи, _qhe, в Дж/с.

Зависимости

Чтобы включить этот параметр, выберите Constant для параметра Heat transfer model.