Variable Area Orifice (TL)

Локальное ограничение потока с переменной площадью поперечного сечения

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

  • Variable Area Orifice (TL) block

Описание

Блок Variable Area Orifice (TL) моделирует поток через локальное ограничение с переменной площадью открытия. Отверстие содержит поршень управления - такую как мяч, золотник или диафрагма - которая определяет своим перемещением текущую площадь открытия. Такие элементы характерны для клапанов и являются, в библиотеке тепловых жидкостей, фундаментом, на котором основаны все блоки направленного клапана. См., например, блок 2-Way Directional Valve (TL). Используйте этот блок для создания собственного компонента с отверстиями переменного сечения, если они не предусмотрены в библиотеке тепловых жидкостей.

Отверстие принято из сужения с последующим внезапным расширением площади потока. Сужение вызывает рост скорости потока жидкости и падение давления. Расширение позволяет давлению восстановиться, хотя только частично: мимо vena contrata, где поток находится в самом узком положении, поток обычно отделяется от стенки, вызывая потерю некоторой энергии. Степень восстановления давления зависит от коэффициента расхода отверстия и от отношения площади отверстия и порта. Установите Pressure recovery равным Off для игнорирования этого эффекта при необходимости.

Эффект, который движение поршня управления оказывает на площадь открытия отверстия, зависит от настройки Opening orientation параметров блоков. В настройке по умолчанию Positiveотверстие (если оно находится в области значений открытия) открывается, когда поршень управления перемещается в положительном направлении. В альтернативной настройке Negativeотверстие открывается движением в отрицательном направлении.

Положения отверстий

Отверстие непрерывно изменяется. Он плавно смещается между положениями, из которых имеет два. Одно - нормальное положение - это положение, к которому отверстие возвращается, когда его управляющий сигнал падает до нуля. Если смещение поршня управления не задано, A - B отверстие всегда полностью закрыто в этом положении. Другое - рабочее положение - это то, в которое перемещается отверстие, когда его управляющий сигнал поднимается до максимума. Отверстие обычно полностью открыто в этом положении. Обратите внимание, что действительно ли отверстие открыто, и насколько оно открыто, зависят от значения смещения поршня управления.

Открытие отверстия

В каком положении находится отверстие, зависит от координаты поршня управления - длины, которую в блоках клапанов, основанных на этой модели отверстия, часто называют открытием отверстия. Эта переменная вычисляется во время симуляции из смещения поршня управления, заданного через параметры блоков того же имени, и от перемещения органа управления, переменной, полученной из физического сигнала, заданного в порте S:

h=h0+δx,

где:

  • h - A отверстие B.

  • h 0 является A B - перемещение открытия.

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

  • x - перемещение органа управления.

Перемещение органа управления в нуле соответствует клапану, который находится в его нормальном положении. Отверстие начинает открываться, когда открытие отверстия (h) поднимается выше нуля и оно продолжает открываться до тех пор, пока открытие отверстия не достигнет максимального значения. Этот максимум получается из Maximum control displacement параметров блоков, в параметризации линейного отверстия или из заданных векторов данных в табличных параметризациях отверстия.

Перемещения открытия

Отверстие по умолчанию сконфигурировано так, чтобы оно полностью закрывалось, когда перемещение органа управления равняется нулю. Такое отверстие, когда оно представляет клапан, часто описывается как обнуленное. Возможно путем применения смещения к поршню управления смоделировать отверстие, которое подстилается - то есть частично открыто, когда находится в нормальном положении. Отверстие также может быть перекрыто - полностью закрыто в области значений перемещений органа управления, проходящих мимо нормального закрытого положения.

Рисунок показывает открытие отверстия - h(x) - в случаях нули замыкания (I), подстилания (II) и перекрытия (III) отверстий. Перемещение открытия - h s0 - это ноль в первом случае, больше нуля во втором и меньше нуля в третьем. Поршень управления должен двигаться вправо от своего нормального положения (в положительном направлении вдоль оси x), чтобы перекрывающееся отверстие открылось; он должен двигаться влево от своего нормального положения, чтобы приоткрытое отверстие было плотно закрыто.

Характеристики открытия

Открытие отверстия служит во время симуляции, чтобы вычислить массовый расход жидкости через отверстие. Вычисление может быть прямым отображением от открытия до скорости потока жидкости или косвенным преобразованием, сначала от открытия до площади постоянного отверстия, а затем от площади постоянного отверстия до массового расхода жидкости. Расчет и необходимые для него данные зависят от настройки Valve parameterization параметров блоков:

  • Linear area-opening relationship - Вычислите площадь открытия клапана из перемещения органа управления и из него получите массовый расход жидкости через клапан. Площадь открытия принимается линейно изменяющейся с перемещением органа управления. Наклон линейной зависимости определяется из Maximum valve opening и Maximum opening area параметров блоков:

    SLin=SMaxhMaxh,

    где S Lin - линейная форма площади открытия, S Max - значение параметра Maximum orifice area блока, h Max - значение параметра Maximum control displacement блока. Это выражение переформулировано как кусочно-условное выражение так, чтобы насыщать площадь открытия при небольшом значении утечки и гарантировать плавность перехода к нормальному и рабочему положениям .

  • Tabulated data - Area vs. opening - Вычислите площадь открытия клапана из перемещения органа управления и из него получите массовый расход жидкости через клапан. Площадь открытия может изменяться нелинейно с перемещением органа управления. Взаимосвязь между ними определяется табличными данными в Valve opening vector и Opening area vector параметров блоков:

    STab=S(h),

    где S вкладка - сведенная в табличная форма площади открытия, функция открытия отверстия, h.

  • Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop - Вычислите массовый расход жидкости непосредственно из перемещения органа управления и перепада давления через клапан. Отношение между тремя переменными может быть нелинейным, и оно задается табличными данными в Valve opening vector, Pressure drop vector и Mass flow rate table параметров блоков:

    m˙Tab=ρRefρAvgm˙(h,Δp),

    где m˙ - сведенная в табличная форма массового расхода жидкости, функция открытия отверстия, h и перепада давления через отверстие, Δp. Массовый расход жидкости регулируется на температуру и давление отношением ρ Ref/ ρ Avg, где ρ - плотность жидкости при некоторой ссылке температуре и давлении (индекс Ref) или в средних значениях этих переменных в отверстии.

Численное сглаживание

Для обеспечения адекватной эффективности симуляции площадь открытия отверстия сглаживается в двух небольших областях открытия отверстия, один около полностью закрытого состояния, другой около полностью открытого состояния. Сглаживание осуществляется с помощью полиномиальных выражений (для включения в окончательную форму площади открытия выражения):

λMin=3ΔhMin*2ΔhMin*3  и  λMax=3ΔhMax*2ΔhMax*3,

где ƛ - коэффициент сглаживания, применяемый как минимум (индекс Min) и максимум (индекс Max) фрагменты выражения площади открытия. Коэффициенты сглаживания вычисляются как:

ΔhMin=hhMinΔhSmooth  и  ΔhMax=h(hMaxΔhSmooth)ΔhSmooth,

где h Min - минимальное открытие отверстия, а Δh Smooth - область значений открытий отверстия, над которым можно сглаживать линейную форму площади открытия. Значение S Min вычисляется как:

hMin=hMaxSLeakSMax,

где S Leak - значение параметра Leakage area блока. Значение S Smooth вычисляется как:

ΔhSmooth=fSmoothhMaxhMin2,

где f Smooth - значение параметра Smoothing factor блока - дробь между 0 и 1, с 0 указывает на нулевое сглаживание и 1 максимальное сглаживание. Конечная площадь открытия сглаженного отверстия определяется кусочно-линейным выражением:

SSmooth={SLeak,если hhMinSLeak(1λMin)+SLeakλMin,если h<hMin+ΔhSmoothSLin,если hhMaxΔhSmoothSLin(1λMax)+SMaxλMax,если h<hMaxSMax,если hhMax.

Сглаживание площади постоянного отверстия

Расход утечек

Основной целью уровня утечек закрытого отверстия является обеспечение того, чтобы ни в коем случае фрагмент тепловой гидравлической сети не стала изолированной от остальной части модели. Такие изолированные фрагменты уменьшают числовую робастность модели и могут замедлить симуляцию или вызвать ее неудачу. Поток утечек обычно присутствует в реальных отверстиях, но в модели его точное значение менее важно, чем его небольшое число, больше нуля. Уровень утечек определяется из Leakage area параметров блоков.

Баланс массы

Объем жидкости внутри отверстия, 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 отверстие через один порт должен равняться расходу из отверстия через другой порт:

m˙A+m˙B=0,

где m˙ определяется как массовый расход жидкости в отверстие через порт, обозначенный нижним индексом (A или B).

Баланс импульса

Причины падения давления, происходящих в отверстии, 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 коэффициента расхода, мерой массового расхода жидкости через отверстие относительно теоретического значения, которое это имело бы в идеальном отверстии. Выражение баланса импульса в отверстии с точки зрения перепада давления вызвало в потоке:

pApB=m˙В среднемm˙В среднем2+m˙Критика22ρAvgCDSГладкий2[1(SSmoothSLin)2]ξp,

где C D - коэффициент расхода, а ξ p - коэффициент перепада давления - мера эффекта, впечатленного восстановлением давления, которое в реальных отверстиях происходит между vena contrata (точкой, в которой поток находится в самом узком положении) и выходным отверстием, принятым небольшим расстоянием. Нижний индекс Avg обозначает средние значения в тепловые гидравлические порты. Критический массовый расход жидкости m˙Crit вычисляется из критического числа Рейнольдса - того, при котором поток в отверстии принимается равным переходом от ламинарного к турбулентному:

m˙Crit=ReКритикаμAvgπ4SLin,

где μ обозначает динамическую вязкость. Значение отношения давления зависит от настройки Pressure recovery параметров блоков. В настройке по умолчанию Off:

ξp=1.

Если On вместо этого выбран:

ξp=1(SSmoothSLin)2(1CD2)CDSSmoothSLin1(SSmoothSLin)2(1CD2)+CDSSmoothSLin.

Энергетический баланс

Отверстие 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 путем авантюры, через порты А и B. По принципу сохранения энергии, сумма энергетических потоков в портах должна всегда равняться нулю:

ϕA+ϕB=0,

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

Порты

Вход

расширить все

Мгновенное перемещение органа управления клапана.

Сохранение

расширить все

Открытие, посредством которого поток может войти или выйти из клапана.

Открытие, посредством которого поток может войти или выйти из клапана.

Параметры

расширить все

Метод, которым можно смоделировать характеристики открытия отверстия. Настройка по умолчанию предписывает линейное соотношение между площадью открытия отверстия и открытием отверстия. Альтернативные настройки позволяют, общее, нелинейное отношение в сведенной в табличной форме, в одном случае между площадью открытия и открытием отверстия, в другом случае между массовым расходом жидкости и открытием отверстия и перепадом давления между портами.

Открытие отверстия, при котором отверстие полностью открыто, и, следовательно, его площадью открытия на максимуме. Этот параметр используется, чтобы вычислить наклон линейной зависимости, связывающего площадь открытия с открытием отверстия.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Linear area-opening relationship.

Площадь открытия отверстия в положение полностью открытого отверстия, когда открытие отверстия задано в maximum valve opening параметров блоков. Этот параметр используется, чтобы вычислить наклон линейной зависимости, связывающего площадь открытия с открытием отверстия.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Linear area-opening relationship.

Площадь открытия отверстия в положении полностью закрытого отверстия, когда остается только внутренние утечки между его портами. Этот параметр служит, в основном, чтобы гарантировать, что закрытие отверстия не заставляет фрагменты тепловой гидравлической сети становиться изолированными. Точное значение, заданное здесь, менее важно, чем то, что это небольшое число, больше нуля.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Linear area-opening relationship.

Мера величины сглаживания для применения к функции площади открытия. Этот параметр определяет ширины областей, которые будут сглаживаться, один из которых находится в положении полностью открытого отверстия, другой - в положении полностью закрытого отверстия. Сглаживание накладывает на линейную функцию площади открытия два нелинейных сегмента, по одному для каждой области сглаживания. Чем больше заданное значение, тем больше сглаживание и тем шире нелинейные сегменты.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Linear area-opening relationship.

Вектор открытий отверстия, при котором можно задать - в зависимости от параметризации клапана - площадь открытия отверстия или его массового расхода жидкости. Векторные элементы должны увеличиться монотонно слева направо. Этот вектор должен быть равен в размере тому, что задан в Opening area vector параметрам блоков или количеству строк в Mass flow rate table параметров блоков.

Эти данные служат, чтобы создать интерполяционную таблицу, с помощью которой можно определить, по открытию отверстия, площадь открытия отверстия или интерполяционную таблицу, по которой можно определить, по открытию отверстия и перепаду давления, массового расхода жидкости отверстия. Данные обрабатываются с линейной интерполяцией (в пределах табличных данных области значений) и экстраполяцией по ближайшему соседу (вне области значений данных).

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Tabulated data - Area vs. opening.

Вектор площадей открытия, соответствующий точкам останова, заданным в Opening vector параметров блоков. Векторные элементы должны увеличиться монотонно слева направо (с увеличением значений открытия отверстия). Этот вектор должен быть равен в размере количеству точек останова открытия отверстия.

Эти данные служат, чтобы создать одностороннюю интерполяционную таблицу, по которой можно определить из открытия отверстия площади открытия отверстия. Данные обрабатываются с линейной интерполяцией (в пределах табличных данных области значений) и экстраполяцией по ближайшему соседу (вне области значений данных).

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Tabulated data - Area vs. opening.

Вектор перепадов давления от порта A до порта B при котором можно задать массовый расход жидкости из отверстия. Векторные элементы должны увеличиться монотонно слева направо. Этот вектор должен быть равен в размере количеству столбцов в Mass flow rate table параметров блоков.

Эти данные служат, чтобы создать двухстороннюю интерполяционную таблицу, по которой можно определить, на основе открытия отверстия и перепада давления, площадь открытия отверстия. Данные обрабатываются с линейной интерполяцией (в пределах табличных данных области значений) и экстраполяцией по ближайшему соседу (вне области значений данных).

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Матрица массовых расходов жидкости, соответствующих точкам останова, заданным в параметрах Opening vector и Pressure drop vector блоков. Открытие отверстия увеличивается от строки к строке сверху вниз. Перепад давления увеличивается от столбца к столбцу слева направо. Массовый расход жидкости должен увеличиться монотонно в тех же направлениях (с увеличением перемещения органа управления и увеличением перепада давления).

Эти данные служат, чтобы создать двухстороннюю интерполяционную таблицу, по которой можно определить, на основе открытия отверстия и перепада давления, площадь открытия отверстия. Данные обрабатываются с линейной интерполяцией (в пределах табличных данных области значений) и экстраполяцией по ближайшему соседу (вне области значений данных). Убедитесь, что количество строк равно размеру Opening area vector параметров блоков и что количество столбцов равно размеру Pressure drop vector параметров блоков.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Номинальная температура на входе, со ссылкой на абсолютный нуль, при которой можно задать табличные данные. Этот параметр используется, чтобы настроить массовый расход жидкости в соответствии с температурой, измеренной во время симуляции.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Номинальное давление на входе с учетом нуля, при котором можно задать табличные данные. Этот параметр используется, чтобы настроить массовый расход жидкости в соответствии с давлением, измеренным во время симуляции.

Зависимости

Этот параметр активен, когда Orifice parameterization параметров блоков установлено на Tabulated data - Mass flow rate vs. opening and pressure drop.

Смещение между поршнем управления и местом, в котором в положении нормального отверстия оно полностью закрывало бы отверстие. Задайте положительное смещение, чтобы смоделировать приоткрытое отверстие или отрицательное смещение, чтобы смоделировать перекрывающееся отверстие. Для получения дополнительной информации о том, как перемещения открытия влияют на вычисления блоков, смотрите описание блоков.

Площадь , перпендикулярная линии потока для каждого порта. Порты приняты равными в размере. Площадь потока, заданная здесь, должна совпадать с площадями входных отверстий тех компонентов, с которыми соединяется отверстие.

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).

Отношение фактической скорости потока жидкости через отверстие к теоретическому значению, которое оно имело бы в идеальном клапане. Этот полу-эмпирический параметр измеряет поток, пропускаемый через отверстие: чем больше его значение, тем больше скорость потока жидкости. Этот параметр приведен в таблице данных клапана (при наличии).

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

Примеры моделей

Engine Cooling System

Система охлаждения Engine

Моделируйте систему охлаждения двигателя с контуром охлаждения масла, используя блоки Simscape™ Fluids™ Thermal Liquid. Система включает контур хладагента и контур охлаждения масла. Насос постоянной производительности управляет хладагентом через контур охлаждения. Основной фрагмент тепла от двигателя поглощается охлаждающей средой и рассеивается через излучателя. Температура системы регулируется термостатом, который отводит поток на излучателя только тогда, когда температура выше порога. Контур охлаждения масла также поглощает часть тепла от двигателя. Тепло, добавляемое к маслу, передается хладагенту теплообменником масло-хладагент. Излучатель является блоком E-NTU Теплообменник (TL) с потоком на воздушной стороне, управляемым входами физического сигнала. Теплообменник с охлаждающим маслом является блоком E-NTU (TL-TL). И насос хладагента, и масляный насос приводятся в действие частотой скорости вращения двигателя.

Ссылки

[1] Измерение потока жидкости с помощью устройств перепада давления, вставленных в круглое сечение трубопроводы, работающие полностью - Часть 2: Диафрагмы (ISO 5167-2: 2003). 2003.

Расширенные возможности

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

.
Введенный в R2016a
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте