Pipe (G)

Жесткий трубопровод для потока газа

  • Библиотека:
  • Simscape/Библиотека фундаментов/Газ/Элементы

  • Pipe (G) block

Описание

Блок Pipe (G) моделирует динамику потока трубопровода в газовой сети. Блок учитывает вязкие потери на трение и конвективную теплопередачу со стенкой трубопровода. Трубопровод содержит постоянный объем газа. Давление и температура развиваются исходя из сжимаемости и теплоемкости этого объема газа. Дросселирование происходит, когда выход достигает акустического условия.

Внимание

Поток газа через этот блок может дросселироваться. Если блок Mass Flow Rate Source (G) или блок Controlled Mass Flow Rate Source (G), соединенный с блоком Pipe (G), задает больший массовый расход жидкости, чем возможный подавленный массовый расход, вы получаете ошибку симуляции. Для получения дополнительной информации см. Раздел «Подавленный поток».

Баланс массы

Сохранение массы связывает массовые расходы жидкости с динамикой давления и температуры внутреннего узла, представляющего объем газа:

MpdpIdt+MTdTIdt=m˙A+m˙B

где:

  • Mp - частная производная массы объема газа по отношению к давлению при постоянной температуре и объеме.

  • MT - частная производная массы объема газа от температуры при постоянном давлении и объеме.

  • p I - давление объема газа .

  • T I - температура объема газа .

  • t время.

  • m˙A и m˙B - массовые расходы жидкости в портах А и B, соответственно. Скорость потока жидкости, сопоставленная с портом, положительная, когда он течет в блок.

Энергетический баланс

Энергосбережение связывает энергетические и тепловые скорости потока жидкости с динамикой давления и температуры внутреннего узла, представляющего объем газа:

UpdpIdt+UTdTIdt=ΦA+ΦB+QH

где:

  • Up - частная производная внутренней энергии объема газа от давления при постоянной температуре и объеме.

  • UT - частная производная внутренней энергии объема газа от температуры при постоянном давлении и объеме.

  • Φ A и Φ B являются скоростями потока энергии в портах A и B, соответственно.

  • Q H - скорость теплового потока в порту H.

Частные производные для идеальных и полупрозрачных моделей газа

Частные производные от массовой M и внутренней энергетической U объема газа, относительно давления и температуры при постоянном объеме, зависят от модели газовых свойств. Для идеальных и полупрозрачных моделей газа уравнения:

Mp=VρIpIMT=VρITIUp=V(hIZRTI1)UT=VρI(cpIhITI)

где:

  • ρ I - плотность объема газа.

  • V - объем газа.

  • h I является специфической энтальпией объема газа.

  • Z - коэффициент сжимаемости.

  • R - удельная газовая константа.

  • c pI является удельным теплом при постоянном давлении объема газа.

Частные производные для модели реального газа

Для модели реального газа частные производные массовой M и внутренней энергетической U объема газа относительно давления и температуры при постоянном объеме:

Mp=VρIβIMT=VρIαIUp=V(ρIhIβITIαI)UT=VρI(cpIhIαI)

где:

  • β - изотермический модуль объемной упругости объема газа.

  • α - изобарный коэффициент теплового расширения объема газа.

Баланс импульса

Баланс импульса для каждой половины трубопровода моделирует перепад давления из-за потока импульса и вязкого трения:

pApI=(m˙AS)2(1ρI1ρA)+ΔpAIpBpI=(m˙BS)2(1ρI1ρB)+ΔpBI

где:

  • p - давление газа в порте A, порте B или внутреннем узле I, как показано нижним индексом.

  • ρ - плотность порта A, порта B или внутреннего узла I, как обозначено нижним индексом.

  • S - площадь поперечного сечения трубопровода.

  • Δp AI и Δp BI - падения давления из-за вязкого трения.

Теплообмен со стенкой трубопровода через порт H добавляется к энергии объема газа, представленной внутренним узлом, посредством уравнения энергосбережения (см. Энергетический баланс). Поэтому балансы импульса для каждой половины трубопровода, между портом A и внутренним узлом и между портом B и внутренним узлом, приняты адиабатическими процессами. Адиабатические зависимости:

hA+12(m˙AρAS)2=hI+12(m˙AρIS)2hB+12(m˙BρBS)2=hI+12(m˙BρIS)2

где h - специфическая энтальпия в порте A, порте B или внутреннем узле I, как обозначено нижним индексом.

Падения давления из-за вязкого трения, Δp AI и Δp BI, зависят от режима течения. Числа Рейнольдса для каждой половины трубопровода заданы как:

ReA=|m˙A|DhSμIReB=|m˙B|DhSμI

где:

  • D h - гидравлический диаметр трубопровода.

  • μ I является динамической вязкостью во внутреннем узле.

Если число Рейнольдса меньше, чем значение параметров Laminar flow upper Reynolds number limit, то поток находится в ламинарном режиме течения жидкости. Если число Рейнольдса больше, чем Turbulent flow lower Reynolds number limit значения параметров, то поток находится в турбулентном режиме течения.

В ламинарном режиме течения жидкости падения давления из-за вязкого трения:

ΔpAIlam=fshapem˙AμI2ρIDh2SL+Leqv2ΔpBIlam=fshapem˙BμI2ρIDh2SL+Leqv2

где:

  • f форма является Shape factor for laminar flow viscous friction значением параметров.

  • L eqv является Aggregate equivalent length of local resistances значением параметров.

В турбулентном режиме течения падения давления из-за вязкого трения:

ΔpAItur=fDarcyAm˙A|m˙A|2ρIDhS2L+Leqv2ΔpBItur=fDarcyBm˙B|m˙B|2ρIDhS2L+Leqv2

где f Darcy - коэффициент трения Дарси в порту A или B, как обозначено нижним индексом.

Коэффициенты трения Дарси вычисляются из корреляции Haaland:

fDarcyA=[1.8log(6.9ReA+(εrough3.7Dh)1.11)]2fDarcyB=[1.8log(6.9ReB+(εrough3.7Dh)1.11)]2

где ε rough - Internal surface absolute roughness значение параметров.

Когда число Рейнольдса находится между значениями параметров Laminar flow upper Reynolds number limit и Turbulent flow lower Reynolds number limit, поток находится на переходном этапе между ламинарным течением и турбулентным потоком. Падения давления из-за вязкого трения во время переходной области следуют за плавной связью между таковыми в ламинарном режиме течения жидкости и таковыми в турбулентном режиме течения.

Конвективная теплопередача

Уравнение конвективной теплопередачи между стенкой трубопровода и внутренним объемом газа:

QH=Qconv+kISsurfDh(THTI)

S surf - площадь поверхности трубопровода, S surf = 4 S L/ D h. Принимая экспоненциальное распределение температуры по трубопроводу, конвективная теплопередача

Qconv=|m˙avg|cpavg(THTin)(1ehcoeffSsurf|m˙avg|cpavg)

где:

  • T - температура на входе в зависимости от направления потока.

  • m˙avg=(m˙Am˙B)/2 - средний массовый расход жидкости от порта A до порта B.

  • cpavg - удельное тепло, оцениваемое при средней температуре.

Коэффициент теплопередачи, h коэффициент, зависит от числа Нуссельта:

hcoeff=NukavgDh

где k avg - теплопроводность, оцениваемая при средней температуре. Число Нуссельта зависит от режима течения. Число Нуссельта в ламинарном режиме течения жидкости постоянно и равно значению параметра Nusselt number for laminar flow heat transfer. Число Нуссельта в турбулентном режиме течения вычисляется из корреляции Гнилинского:

Nutur=fDarcy8(Reavg1000)Pravg1+12.7fDarcy8(Pravg2/31)

где Pr avg - число Прандтля, оцениваемое при средней температуре. Среднее число Рейнольдса

Reavg=|m˙avg|DhSμavg

где μ avg - динамическая вязкость, оцениваемая при средней температуре. Когда среднее число Рейнольдса находится между Laminar flow upper Reynolds number limit и Turbulent flow lower Reynolds number limit значениями параметров, число Нуссельта следует плавному переходу между ламинарным и турбулентным значениями числа Нуссельта.

Дроссельный поток

Массовые массовые расходы жидкости жидкости из трубопровода в портах A и B:

m˙Achoked=ρAaASm˙Bchoked=ρBaBS

где a A и a B - скорость звука в портах A и B, соответственно.

Отмененное давление в порту A или B является значением соответствующей переменной Across в этом порту:

pAunchoked=A.ppBunchoked=B.p

Давления дросселирования в портах A и B получаются путем подстановки дроссельных массовых расходов жидкости жидкости в уравнения баланса импульса для трубопровода:

pAchoked=pI+(m˙AchokedS)2(1ρI1ρA)+ΔpAIchokedpBchoked=pI+(m˙BchokedS)2(1ρI1ρB)+ΔpBIchoked

Δp AIstowked и Δp BIstowked - это падения давления из-за вязкого трения, принимая, что произошло дросселирование. Они вычисляются аналогично Δp AI и Δp BI, с массовыми расходами жидкости в портах A и B заменены значениями подавленного массового расхода.

В зависимости от того, произошло ли дросселирование, блок присваивает либо дроссельное, либо дроссельное значение давления в качестве фактического давления в порте. Дросселирование может происходить на выходе трубопровода, но не на входе трубопровода. Поэтому, если p Aunchokedp I, то port A является входным отверстием и p A = p Aunchoked. Если p Aunchoked < p I, то port A является выходным отверстием и

pA={pAunchoked,если pAunchokedpAchokedpAchoked,если pAunchoked<pAchoked 

Точно так же, если p Bunchokedp I, то port B является входным отверстием и p B = p Bunchoked. Если p Bunchoked < p I, то port B является выходным отверстием и

pB={pBunchoked,если pBunchokedpBchokedpBchoked,если pBunchoked<pBchoked 

Переменные

Чтобы задать приоритет и начальные целевые значения для основных переменных до симуляции, используйте вкладку Variables в диалоговом окне блока (или раздел Variables в Property Inspector блоков). Для получения дополнительной информации смотрите Задать приоритет и Начальный целевой показатель для основных переменных и начальных условий для блоков с конечным объемом газа.

Допущения и ограничения

  • Стенки трубопровода идеально жесткие.

  • Поток полностью развит. Потери на трение и теплопередача не включают входные эффекты.

  • Эффект тяжести незначителен.

  • Инерция жидкости незначительна.

  • Этот блок не моделирует сверхзвуковой поток.

Порты

Сохранение

расширить все

Порт сохранения газа сопоставлен с входным или выходным отверстием трубопровода. Этот блок не имеет внутренней направленности.

Порт сохранения газа сопоставлен с входным или выходным отверстием трубопровода. Этот блок не имеет внутренней направленности.

Тепловой порт сопоставлен с температурой стенки трубопровода. Эта температура может отличаться от температуры объема газа.

Параметры

расширить все

Геометрия

Длина трубопровода по направлению потока.

Внутренняя область трубопровода, перпендикулярная направлению потока.

Диаметр эквивалентного цилиндрического трубопровода с той же площадью поперечного сечения.

Трение и теплопередача

Комбинированная длина всех локальных сопротивлений, присутствующих в трубопроводе. Локальные сопротивления включают повороты, подборы кривой, якоря, а также входные и выходные отверстия трубопровода. Эффект локальных сопротивлений состоит в увеличении эффективной длины сегмента трубопровода. Эта длина добавляется к геометрической длине трубопровода только для вычисления трения. Объем газа зависит только от геометрической длины трубопровода, заданной параметром Pipe length.

Средняя глубина всех поверхностных дефектов на внутренней поверхности трубопровода, что влияет на падение давления в турбулентном режиме течения.

Число Рейнольдса, выше которого поток начинает переход от ламинарного к турбулентному. Это число равняется максимальному значению числа Рейнольдса, соответствующему полностью развитому ламинарному течению.

Число Рейнольдса, ниже которого поток начинает переходить от турбулентного к ламинарному. Это число равняется минимальному числу Рейнольдса, соответствующему полностью развивающемуся турбулентному потоку.

Безразмерный коэффициент, который кодирует эффект геометрии поперечного сечения трубопровода на вязкие потери на трение в ламинарном режиме течения жидкости. Типичными значениями являются 64 для круглого сечения, 57 для квадратного сечения, 62 для прямоугольного сечения с соотношением сторон 2 и 96 для тонкого кольцевого сечения [1].

Отношение конвективного к проводящему теплопередаче в ламинарном режиме течения жидкости. Его значение зависит от геометрии поперечного сечения трубопровода и тепловых граничных условий стенки трубопровода, таких как постоянная температура или постоянный тепловой поток. Типичное значение 3,66 для круглого сечения с постоянной температурой стенки [2].

Примеры моделей

Ссылки

[1] Белый, F. M., Механика Жидкости. 7th Ed, раздел 6.8. Макгроу-Хилл, 2011.

[2] Cengel, Y. A., Теплопередача и массопередача - практический подход. 3-е Изд., Раздел 8.5. Макгроу-Хилл, 2007.

Расширенные возможности

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

.
Введенный в R2016b
Для просмотра документации необходимо авторизоваться на сайте