Pilot-Operated Check Valve (TL)

Запорный клапан с портом управления для обеспечения потока в обратном направлении

Библиотека:
Simscape/Жидкости/Тепловая жидкость/Клапаны и Отверстия/Регулирующие Клапаны

Описание

Блок Pilot-Operated Check Valve (TL) моделирует запорный клапан с механизмом переопределения, чтобы позволить обратный поток при активации. (Запорный клапан в свою очередь является отверстием с однонаправленным механизмом открытия, установленным для предотвращения только этого обратного потока.)

Механизм переопределения добавляет третий порт - пилот - к клапану. Во время нормальной операции порт управления неактивен, и клапан ведет себя как любой другой запорный клапан. Его отверстие затем открывается только, когда градиент давления через него падает от входного отверстия до выхода. 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) химических загрязнений, возникающих из-за точек ниже по потоку.

Когда требуется обратный поток, порт управления герметизируется, и элемент управления клапана - часто мяч или поршень - вытесняется со своего седла. Клапан затем открыт для потока в обоих направлениях с обратным перепадом давления (направленным от выхода до входного отверстия), достаточным для приведения потока в восходящее направление. (Седло, которое лежит в пути потока, определяет, открыт ли клапан. Когда он закрыт - мячом, поршнем или другим элементом управления - поток обрывается и клапан закрывается.)

Клапан открывается на степени, начиная с давления открытия и продолжая до конца области значений значений регулирования давления. Давления открытия дают начальное сопротивление, из-за трения или упругих сил, что клапан должен преодолеть, чтобы открыть щепку (или открыть трещину). Ниже этого порога клапан закрыт и может проходить только утечка. После окончания области значений значений регулирования давления клапан полностью открыт, а поток на максимуме (определяется текущими условиями).

Давления открытия принимают важную роль в обратных клапанах, установленных вверх тормашками. Там, вес запорного элемента - такого как мяч или поршень - и повышения высоты жидкости может действовать, чтобы открыть клапан. (Повышение высоты может возникнуть в модели из трубопровода в восходящем направлении входного отверстия, когда расположено вертикально или с учетом наклона.) Достаточные давления открытия мешают клапану открываться непреднамеренно, даже если помещен в невыгодный угол.

Управляйте давлением

Открытие клапана зависит и от давления управления и от перепада давления между входным и выходным отверстиями:

$p_{Ctl} = k_{X} p_{X} + p_{A} - p_{B},$

где p - абсолютное давление, а k - коэффициент управления - пропорция площади открытия управления ₍S X) к площади открытия клапана (S R). Нижний индекс X обозначает пилотное значение и нижние индексы A и B значения входного и выходного отверстий, соответственно. Давления в порте являются переменными, определенными (против абсолютного нуля) во время симуляции.

Давление управления может быть дифференциальным значением относительно входного отверстия (порт A) или манометр значением (относительно окружение). Выбрать подходящую настройку - Pressure differential (pX - pA) или Pressure at port X - можно с помощью выпадающего списка Pressure control specification. Если Pressure at port X выбран:

$p_{X} = p_{X,Abs} - p_{Atm},$

где индекса Atm обозначает атмосферное значение (полученное из Thermal Liquid Settings (TL) или Thermal Liquid Properties (TL) блока модели). Нижний индекс X,Abs обозначает абсолютное значение в порте управления. Если Pressure differential (pX - pA) выбран:

$p_{X} = p_{X,Abs} - p_{A,Abs}$

где индекса A,Abs аналогично обозначает абсолютное значение на входе в клапан (порт A). Перепад давления управления ограничен, чтобы быть большим или равным нулю - если его вычисленное значение должно быть отрицательным, ноль принимается в расчете давления управления.

Управление перерегулированием давления

Степень, до которой давление управления превышает давления открытия, определяет, насколько клапан откроется. Перерегулирование давления выражается здесь как часть (ширины) области значений значений регулирования давления:

$\hat{p} = \frac{p_{Ctl} - P_{Crk}}{P_{Max} - P_{Crk}} .$

Давление управления (p _Ctl), давления открытия (_{p Set}) и максимальное давление открытия _(P Max) соответствуют выбранной спецификации давления управления (Pressure differential или Pressure at port A).

Дробь - технически, перерегулирование нормировано - оценивается как 0 в полностью закрытом клапане и 1 в полностью открытом клапане. Если при вычислении должно быть возвращено значение за пределами этих границ, вместо этого используется ближайшее из двух. (Другими словами, фракция насыщается при 0 и 1.)

Численное сглаживание

Нормированное давление управления, p, охватывает три области давления. Ниже давления открытия клапана его значение является постоянным нулем. Выше максимального давления того же, это 1. В промежутке он изменяется, как линейная функция (эффективного) управляющего давления, p _Ctl.

Переходы между областями резкие, их склоны прерывистые. Они ставят задачу перед решателями с переменным шагом (сортировка, обычно используемая с моделями Simscape). Чтобы точно захватить разрывы, упомянутые в некоторых контекстах как события пересечения нуля, решатель должен уменьшить свой временной шаг, ненадолго остановившись во время пересечения в порядок, чтобы пересчитать свою якобианскую матрицу (представление зависимостей между переменными состояния модели и их производными по времени).

Эта стратегия решателя эффективна и устойчива, когда присутствуют разрывы. Это делает решатель менее склонным к ошибкам сходимости - но это может значительно продлить время, необходимое для завершения запуска симуляции, возможно, чрезмерно так для практического использования в симуляции в реальном времени. Альтернативным подходом, используемым здесь, является полное устранение разрывов.

Нормализованный перерегулирование температуры с резкими переходами

Блок удаляет разрывы путем сглаживания их в заданной временной шкале. Сглаживание, которое добавляет небольшое искажение нормализованному давлению на входе, гарантирует, что клапан ослабнет в свои предельные положения, а не защелкнется (резко) в них. Сглаживание опционально: можно отключить его, установив для него шкалу времени нуля. Форма и шкала сглаживания, при применении, частично получают из кубических полиномов:

$λ_{L} = 3 {\bar{p}}_{L}^{2} - 2 {\bar{p}}_{L}^{3}$

$λ_{R} = 3 {\bar{p}}_{R}^{2} - 2 {\bar{p}}_{R}^{3},$

где

${\bar{p}}_{L} = \frac{\hat{p}}{Δ p^{*}}$

${\bar{p}}_{R} = \frac{\hat{p} - (1 - Δ p^{*})}{Δ p^{*}} .$

В уравнениях:

ƛ L является выражением сглаживания для перехода от максимально закрытого положения.
ƛ R является выражением сглаживания для перехода от положения полностью открытого отверстия.
Δp^* - (бесчисленная) характеристическая ширина области сглаживания давления:

$Δ p^{*} = f^{*} \frac{1}{2},$
где f^* - коэффициент сглаживания, оцениваемый между 0 и 1 и получены из параметров блоков того же имени.
Когда коэффициент сглаживания 0нормированное давление входного отверстия остается в исходном виде - сглаживание не выполняется - и его переходы остаются резкими. Когда это 1сглаживание охватывает всюсь область значений регулирования давления (с нормализованным давлением на входе, принимающим форму S-кривой).
При промежуточных значениях сглаживание ограничивается частью этой области значений. Значение 0.5для примера сглаживает переходы на четверть области значений регулирования давления с каждой стороны (для общей гладкой области в половину области значений регулирования).

Сглаживание добавляет к нормированному перерегулированию давления две новые области - одну для плавного перехода слева, другую для правого, давая в общей сложности пять областей. Они выражены в кусочно-линейной функции:

${\hat{p}}^{*} = {\begin{array}{l} 0, & \hat{p} \leq 0 \\ \hat{p} λ_{L}, & \hat{p} < Δ P^{*} \\ \hat{p}, & \hat{p} \leq 1 - Δ P^{*} \\ \hat{p} (1 - λ_{R}) + λ_{R}, & \hat{p} < 1 \\ 1 & \hat{p} \geq 1 \end{array},$

где звездочка обозначает сглаженную переменную (нормализованное давление управления перерегулирования). Рисунок показывает эффект сглаживания на резкости переходов.

Площадь открытия

Клапан открыт линейно с сглаженным перерегулированием давления управления:

$S = (S_{Max} - S_{Min}) \hat{p} + S_{Min},$

где S - проводимость звука и нижние индексы Max и Min обозначить его значения в полностью открытом и полностью закрытом клапане. С точки зрения сглаженного перерегулирования давления управления площадь открытия становится:

$S^{*} = (S_{Max} - S_{Min}) {\hat{p}}^{*} + S_{Min} .$

(Оба выражения используются при вычислении перепада давления через клапан.)

Баланс импульса

Причины падения давления, происходящих в каналах клапана, проигнорированы в блоке. Безотносительно их характера - внезапных изменений сечения, искривлений линии потока - только их совокупный эффект рассматривается во время симуляции. Этот эффект получен в блоке коэффициентом расхода, мерой массового расхода жидкости через клапан относительно теоретического значения, которое это имело бы в идеальном клапане. Выражение баланса импульса в клапане с точки зрения перепада давления вызвало в потоке:

$p_{A} - p_{B} = \frac{{\dot{m}}_{В среднем} \sqrt{{\dot{m}}_{В среднем}^{2} + {\dot{m}}_{Критика}^{2}}}{2 ρ_{Avg} C_{D} S^{* 2}} [1 - {(\frac{S^{*}}{S})}^{2}] ξ_{p},$

где ρ - плотность, C D - коэффициент расхода, а _ξ p - коэффициент перепада давления - мера степени, в которой восстановление давления на выходе способствует общему перепаду давления в клапане. Индекс Avg обозначает средние значения в тепловые гидравлические порты. Критический массовый расход жидкости, ${\dot{m}}_{Crit}$ , вычисляется из критического числа Рейнольдса - того, при котором поток в клапане принимается равным переходом от ламинарного к турбулентному:

${\dot{m}}_{Crit} = {Re}_{Критика} μ_{Avg} \sqrt{\frac{π}{4} S},$

где μ обозначает динамическую вязкость. Коэффициент перепада давления вычисляется как:

$ξ_{p} = \frac{\sqrt{1 - {(\frac{S^{*}}{S})}^{2} (1 - C_{D}^{2})} - C_{D} \frac{S^{*}}{S}}{\sqrt{1 - {(\frac{S^{*}}{S})}^{2} (1 - C_{D}^{2})} + C_{D} \frac{S^{*}}{S}} .$

Баланс массы

Объем жидкости в клапане, и, следовательно, его масса, приняты, очень маленькими, и это, для моделирования целей, проигнорировано. В результате никакое количество жидкости не может накопиться там. По принципу сохранения массы массовый расход жидкости в клапан через один порт должен равняться расходу из клапана через другой порт:

${\dot{m}}_{A} + {\dot{m}}_{B} = 0,$

где $\dot{m}$ задается как массовый расход жидкости в клапан через порт A или B.

Энергетический баланс

Клапан моделируется как адиабатический компонент. Между жидкостью и стенкой, которая ее окружает, не может происходить теплообмен. Никакая работа не выполняется на или жидкостью, когда она проходит от входного отверстия до выхода. При этих предположениях энергия может течь только с помощью advection, через порты A и B. По принципу сохранения энергии сумма энергетических потоков в портах должна тогда всегда равняться нулю:

$ϕ_{A} + ϕ_{B} = 0,$

где ϕ определяется как скорость потока жидкости энергии в клапан через один из портов (A или B).

Порты

Сохранение

расширить все

`A` - Вход в клапан
тепловая жидкость

При открытии, через который рабочая жидкость должна, во время нормальной операции (когда механизм управления отключен), войдите в клапан. Этот порт может служить выходом только, когда порт управления герметизируется до достаточной степени.

`B` - Вход в клапан
тепловая жидкость

При открытии, через который рабочая жидкость должна, во время нормальной операции (когда механизм управления отключен), выход из клапана.

`X` - Порт управления
тепловая жидкость

Открытие, которым можно привести в действие (приложением достаточного давления) механизм управления, который открывает клапан для обратного течения.

Параметры

расширить все

`Pressure control specification` - Выбор измерения давления для использования в качестве сигнала управления клапаном
`Pressure differential (pX-pA)` (по умолчанию) | `Pressure at port X`

Выбор измерения давления для использования в качестве управляющего сигнала. Блок использует выбранное измерение, чтобы вычислить управляющее давление клапана. (См. описание блока для вычислений.)

В настройке по умолчанию (Pressure differential (pX - pA)), управляющее давление является функцией перепада давления от порта управления (X) до входного отверстия (A). В альтернативной настройке (Pressure at port X) это функция абсолютного давления на входном отверстии.

`Cracking pressure differential` - Эффективное давление управления, при котором клапан впервые открывается
`0.01 MPa` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах давления

Эффективный перепад давления, при котором клапан начинает открываться. Этот перепад - управляющее давление в описании блока - является суммой перепада давления между входным и выходным отверстиями с произведением давления управления и коэффициента управления. (Используемое давление управления зависит от настройки параметра Pressure control specification.)

`Maximum opening pressure differential` - Эффективное управляющее давление, при котором клапан полностью открыт
`0.02 MPa` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах давления

Эффективный перепад давления, при котором клапан полностью открыт. Этот перепад - управляющее давление в описании блока - является суммой перепада давления между входным и выходным отверстиями с произведением давления управления и коэффициента управления. (Используемое давление управления зависит от настройки параметра Pressure control specification.)

`Pilot ratio` - Отношение площади порта управления к площади порта входа
`1` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Отношение площади порта управления к площади порта входа.

`Maximum opening area` - Площадь открытия в положении полностью открытого отверстия из-за дефектов уплотнения
`1e-4 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

Площадь открытия клапана в положении полностью открытого отверстия, когда клапан на верхнем пределе области значений значений регулирования давления.

`Leakage area` - Площадь открытия в максимально закрытом положении из-за дефектов уплотнения
`1e-10 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

Площадь открытия клапана в максимально закрытом положении, когда остается только внутренние утечки между портами. Этот параметр служит, в основном, чтобы гарантировать, что закрытие клапана не заставляет фрагменты гидросистемы становиться изолированными (условие, которое, как известно, вызывает проблемы симуляции). Точное значение, заданное здесь, менее важно, что это (очень маленькое) число, больше нуля.

`Smoothing factor` - Количество сглаживания для применения функции площади открытия клапана
`0` (по умолчанию)

Количество сглаживания для применения функции площади открытия клапана. Этот параметр определяет ширины областей, которые будут сглаживаться - один расположен при положении полностью открытого отверстия, другой при положении полностью закрытого отверстия.

Сглаживание накладывает на каждую область функции площади открытия нелинейный сегмент (функцию полинома третьего порядка, из которой возникает сглаживание). Чем больше значение, заданное здесь, тем больше сглаживание, и тем шире становятся нелинейные сегменты.

По значение по умолчанию 0сглаживание не применяется. Переходы к максимально закрытым и положениям полностью открытого отверстия затем вводят разрывы (связанные с пересечениями нулем), которые имеют тенденцию замедлять скорость моделирования.

`Cross-sectional area at ports A and B` - Площадь, нормальная к пути потока в портах клапана
`0.01 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

Площадь , перпендикулярная линии потока в портах клапана. Порты приняты одинаковыми в размере. Площадь потока, заданная здесь, должна идеально совпадать с площадями входных отверстий смежных компонентов.

`Characteristic longitudinal length` - Измерение длины пути потока через клапан
`0.1` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах измерения длины

Среднее расстояние, пройденное жидкостью, когда она перемещается от входного отверстия до выхода. Это расстояние используется в вычислении внутренней тепловой проводимости, которая происходит между этими двумя портами (как часть сглаженного вихря энергетической схемы, используемой в тепловой гидравлической области).

`Discharge coefficient` - Эмпирический коэффициент, заданный как отношение фактического массового расхода к идеальному
`0.7` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Отношение фактической скорости потока жидкости через клапан к теоретическому значению, которое это имело бы в идеальном клапане. Этот полу-эмпирический параметр измеряет поток, пропускаемый через клапан: чем больше его значение, тем больше скорость потока жидкости. Этот параметр см. в листе данных клапана, если он доступен.

`Critical Reynolds number` - число Рейнольдса на контуре между режимами ламинарного и турбулентного течения
`12` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Число Рейнольдса, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами.

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

См. также

2-Way Directional Valve (TL) | 3-Way Directional Valve (TL) | Check Valve (TL) | Variable Area Orifice (TL)

Введенный в R2018b

Документация

Pilot-Operated Check Valve (TL)

Описание

Управляйте давлением

Управление перерегулированием давления

Площадь открытия

Баланс импульса

Баланс массы

Энергетический баланс

Порты

Сохранение

`A` - Вход в клапан
тепловая жидкость

`B` - Вход в клапан
тепловая жидкость

`X` - Порт управления
тепловая жидкость

Параметры

`Pressure control specification` - Выбор измерения давления для использования в качестве сигнала управления клапаном
`Pressure differential (pX-pA)` (по умолчанию) | `Pressure at port X`

`Pilot ratio` - Отношение площади порта управления к площади порта входа
`1` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

`Leakage area` - Площадь открытия в максимально закрытом положении из-за дефектов уплотнения
`1e-10 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

`Smoothing factor` - Количество сглаживания для применения функции площади открытия клапана
`0` (по умолчанию)

`Cross-sectional area at ports A and B` - Площадь, нормальная к пути потока в портах клапана
`0.01 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

`Characteristic longitudinal length` - Измерение длины пути потока через клапан
`0.1` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах измерения длины

`Discharge coefficient` - Эмпирический коэффициент, заданный как отношение фактического массового расхода к идеальному
`0.7` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

`Critical Reynolds number` - число Рейнольдса на контуре между режимами ламинарного и турбулентного течения
`12` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

См. также

Документация Simscape Fluids

Поддержка

Документация

Pilot-Operated Check Valve (TL)

Описание

Управляйте давлением

Управление перерегулированием давления

Площадь открытия

Баланс импульса

Баланс массы

Энергетический баланс

Порты

Сохранение

A - Вход в клапан тепловая жидкость

B - Вход в клапан тепловая жидкость

X - Порт управления тепловая жидкость

Параметры

Pressure control specification - Выбор измерения давления для использования в качестве сигнала управления клапаном Pressure differential (pX-pA) (по умолчанию) | Pressure at port X

Pilot ratio - Отношение площади порта управления к площади порта входа 1 (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Leakage area - Площадь открытия в максимально закрытом положении из-за дефектов уплотнения 1e-10 m^2 (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

Smoothing factor - Количество сглаживания для применения функции площади открытия клапана 0 (по умолчанию)

Cross-sectional area at ports A and B - Площадь, нормальная к пути потока в портах клапана 0.01 m^2 (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

Characteristic longitudinal length - Измерение длины пути потока через клапан 0.1 (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах измерения длины

Discharge coefficient - Эмпирический коэффициент, заданный как отношение фактического массового расхода к идеальному 0.7 (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Critical Reynolds number - число Рейнольдса на контуре между режимами ламинарного и турбулентного течения 12 (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Расширенные возможности

Генерация кода C/C + + Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®

См. также

Документация Simscape Fluids

Поддержка

`A` - Вход в клапан
тепловая жидкость

`B` - Вход в клапан
тепловая жидкость

`X` - Порт управления
тепловая жидкость

`Pressure control specification` - Выбор измерения давления для использования в качестве сигнала управления клапаном
`Pressure differential (pX-pA)` (по умолчанию) | `Pressure at port X`

`Pilot ratio` - Отношение площади порта управления к площади порта входа
`1` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

`Leakage area` - Площадь открытия в максимально закрытом положении из-за дефектов уплотнения
`1e-10 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

`Smoothing factor` - Количество сглаживания для применения функции площади открытия клапана
`0` (по умолчанию)

`Cross-sectional area at ports A and B` - Площадь, нормальная к пути потока в портах клапана
`0.01 m^2` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах площади

`Characteristic longitudinal length` - Измерение длины пути потока через клапан
`0.1` (по умолчанию) | положительная скалярная величина в единицах измерения длины

`Discharge coefficient` - Эмпирический коэффициент, заданный как отношение фактического массового расхода к идеальному
`0.7` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

`Critical Reynolds number` - число Рейнольдса на контуре между режимами ламинарного и турбулентного течения
`12` (по умолчанию) | положительный безюнитный скаляр

Генерация кода C/C + +
Сгенерируйте код C и C++ с помощью Coder™ Simulink ®