Жесткий трубопровод для потока газа
Simscape/Библиотека фундаментов/Газ/Элементы
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».
Сохранение массы связывает массовые расходы жидкости с динамикой давления и температуры внутреннего узла, представляющего объем газа:
где:
- частная производная массы объема газа по отношению к давлению при постоянной температуре и объеме.
- частная производная массы объема газа от температуры при постоянном давлении и объеме.
p I - давление объема газа .
T I - температура объема газа .
t время.
A и B - массовые расходы жидкости в портах А и B, соответственно. Скорость потока жидкости, сопоставленная с портом, положительная, когда он течет в блок.
Энергосбережение связывает энергетические и тепловые скорости потока жидкости с динамикой давления и температуры внутреннего узла, представляющего объем газа:
где:
- частная производная внутренней энергии объема газа от давления при постоянной температуре и объеме.
- 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 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:
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.
Для модели реального газа частные производные массовой M и внутренней энергетической U объема газа относительно давления и температуры при постоянном объеме:
где:
β - изотермический модуль объемной упругости объема газа.
α - изобарный коэффициент теплового расширения объема газа.
Баланс импульса для каждой половины трубопровода моделирует перепад давления из-за потока импульса и вязкого трения:
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:
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:
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:
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:
где f Darcy - коэффициент трения Дарси в порту A или B, как обозначено нижним индексом.
Коэффициенты трения Дарси вычисляются из корреляции Haaland:
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.
Уравнение конвективной теплопередачи между стенкой трубопровода и внутренним объемом газа:
S surf - площадь поверхности трубопровода, S surf = 4 S L/ D h. Принимая экспоненциальное распределение температуры по трубопроводу, конвективная теплопередача
где:
T - температура на входе в зависимости от направления потока.
- средний массовый расход жидкости от порта A до порта B.
- удельное тепло, оцениваемое при средней температуре.
Коэффициент теплопередачи, h коэффициент, зависит от числа Нуссельта:
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:
где Pr avg - число Прандтля, оцениваемое при средней температуре. Среднее число Рейнольдса
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.
Массовые массовые расходы жидкости жидкости из трубопровода в портах A и B:
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:
Давления дросселирования в портах A и B получаются путем подстановки дроссельных массовых расходов жидкости жидкости в уравнения баланса импульса для трубопровода:
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 Aunchoked ≥ p I, то port A является входным отверстием и p A = p Aunchoked. Если p Aunchoked < p I, то port A является выходным отверстием и
Точно так же, если p Bunchoked ≥ p I, то port B является входным отверстием и p B = p Bunchoked. Если p Bunchoked < p I, то port B является выходным отверстием и
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.
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.
[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.