Интерфейс между двухфазной жидкостью и механическими вращательными сетями
Двухфазная жидкость/элементы
Блок Rotational Mechanical Converter (2P) моделирует интерфейс между двухфазной жидкостью и механическими вращательными сетями. Интерфейс преобразует давление в гидросистеме в крутящий момент в механической вращательной сети и наоборот.
Этот блок позволяет вам смоделировать привод вращения, работающий от двухфазной гидросистемы. Однако он не учитывает инерцию, трение или жёсткие упоры, общие для приводов вращения. Можно смоделировать эти эффекты отдельно с помощью блоков Simscape, таких как Inertia, Rotational Friction и Rotational Hard Stop.
Порт А представляет вход, через который жидкость входит и выходит из конвертера. Порты C и R представляют корпус конвертера и подвижный интерфейс, соответственно. Порт H представляет стенку, через которую конвертер обменивается теплом со своими окрестностями.
Направление крутящего момента зависит от механической ориентации конвертера. Если параметр Mechanical Orientation положительную положительную скорость потока жидкости через входное отверстие имеет тенденцию поворачивать подвижную границу в положительном направлении относительно корпуса конвертера.
Положительная механическая ориентация
Если параметр Mechanical Orientation отрицателен, положительный массовый расход жидкости через входное отверстие имеет тенденцию вращать подвижную границу в отрицательном направлении относительно корпуса конвертера.
Отрицательная механическая ориентация
Сопротивление потоку между портом А и внутренней частью конвертера принято незначительным. Падения давления между ними приблизительно равны нулю. Поэтому давление в порте А равно давлению в конвертере:
где:
p A - давление в порту A.
p я давление в конвертере.
Точно так же тепловое сопротивление между портом H и внутренней частью конвертера принято незначительным. Градиент температуры между ними приблизительно равен нулю. Поэтому температура в порту H равна температуре в конвертере:
где:
T H - температура в порту H.
T I - температура в конвертере.
Объем жидкости в конвертере является суммой погибших и вытесненных объемов жидкости. Мертвый объем - это количество жидкости, оставшееся в конвертере под нулевым углом раздела. Этот том позволяет вам смоделировать эффекты динамической сжимаемости и тепловой емкости, даже когда интерфейс находится в нулевом положении.
Рабочий объем является количеством жидкости, добавляемой к конвертеру из-за вращения движущейся поверхности раздела. Этот объем увеличивается с углом раздела. Общий объем в конвертере как функция от угла интерфейса,
где:
V - общий объем жидкости в конвертере.
V мертвый - это мертвый объем конвертера.
D vol - объем перемещаемой жидкости на модуль вращения поверхности раздела.
θ int является углом поворота подвижного интерфейса.
∊ или является механической ориентацией конвертера (1 если увеличение давления жидкости вызывает положительное вращение R относительно C, -1 если увеличение давления жидкости вызывает отрицательное вращение R относительно C).
Если вы соединяете конвертер с соединением Multibody, используйте входной порт физического сигнала q, чтобы задать поворот R порта относительно C порта. В противном случае блок вычисляет поворот интерфейса из относительных скоростей вращения порта, согласно уравнениям блока. Поворот интерфейса равен нулю, когда объем жидкости равен мертвому объему. Затем, в зависимости от Mechanical orientation значения параметров:
Если Pressure at A causes positive rotation of R relative to Cвращение раздела увеличивается, когда объем жидкости увеличивается от мертвого объема.
Если Pressure at A causes negative rotation of R relative to Cвращение раздела уменьшается, когда объем жидкости увеличивается от мертвого объема.
При равновесии внутреннее давление в конвертере противодействует внешнему давлению его окружающей среды и крутящему моменту, приложенному механической сетью на движущейся границе. Этот крутящий момент является противоположным тому, который прикладывается гидросистемой. Поэтому баланс крутящего момента в конвертере
где:
p atm - это давление окружающей среды вне конвертера.
t int - величина крутящего момента, приложенного гидросистемой к движущейся границе.
Общая энергия в конвертере может измениться из-за энергетического потока через вход, теплового потока через стенку конвертера и работы, проделанной в механической сети. Энергетическая скорость потока жидкости, заданная уравнением сохранения энергии, поэтому
где:
E - общая энергия жидкости в конвертере.
ϕ A - это расход энергии в конвертер через порт A.
ϕ H - скорость теплового потока в конвертер через порт H.
Принимая кинетическую энергию жидкости в конвертере, чтобы быть незначительной, общая энергия жидкости уменьшается до:
где:
M - масса жидкости в конвертере.
u I является специфической внутренней энергией жидкости в конвертере.
Масса жидкости в конвертере может измениться из-за потока через вход, представленного порту А. Массовый расход жидкости, заданный уравнением сохранения массы, поэтому
где:
массовый расход жидкости в конвертер через порт А.
Изменение массы жидкости может сопровождать изменение объема жидкости, из-за вращения движущейся поверхности раздела. Это также может сопровождать изменение массовой плотности, из-за развивающегося давления или определенной внутренней энергии в конвертере. Массовая скорость изменения в конвертере тогда
где:
- частная производная плотности по давлению при постоянной удельной внутренней энергии.
- частная производная плотности от удельной внутренней энергии при постоянном давлении.
v I является конкретным объемом жидкости в конвертере.
Блок смешивает частные производные плотности различных областей с помощью кубической полиномиальной функции. При качестве пара 0-0,1 эта функция смешивает производные переохлажденной жидкой и двухфазной смесевых областей. При качестве пара 0,9-1 он смешивает пары двухфазной смеси и перегретых паровых областей.
Частные производные сглаженной плотности вносят в исходное уравнение сохранения массы нежелательные численные ошибки. Чтобы исправить эти ошибки, блок добавляет коррекции термин
где:
∊ M является термином коррекции.
τ - постоянная времени изменения фазы - характеристическая длительность события изменения фазы. Эта константа гарантирует, что изменения фазы не происходят мгновенно, эффективно вводя временную задержку каждый раз, когда они происходят.
Конечная форма уравнения сохранения массы
Блок использует это уравнение, чтобы вычислить внутреннее давление в конвертере, учитывая массовый расход жидкости через вход.
Стенки конвертера жесткие. Они не деформируются под давлением.
Сопротивление потоку между портом А и внутренней частью конвертера незначительно. Давление одинаковое в порту А и в интерьере конвертера.
Тепловое сопротивление между портом H и внутренней частью конвертера незначительно. Температура одинаковая в порту H и в интерьере конвертера.
Подвижный интерфейс идеально запечатан. Нет утечек жидкости через интерфейс.
Механические эффекты, такие как жёсткие упоры, инерция и трение, игнорируются.
Выравнивание подвижной границы по объему жидкости в конвертере:
Pressure at A causes positive rotation of R relative to C - Увеличение объема жидкости приводит к положительному повороту порта R относительно порта C.
Pressure at A causes negative rotation of R relative to C - Увеличение объема жидкости приводит к отрицательному повороту порта R относительно порта C.
Выберите метод для определения поворота R порта относительно C порта:
Calculate from velocity of port R relative to port C - Вычислите вращение из относительных скоростей портов, основываясь на блочных уравнениях. Это метод по умолчанию.
Provide input signal from Multibody joint - Включите вход физического сигнала q, чтобы передать информацию о вращении от шарнира Multibody. Используйте этот метод только, когда вы соединяете конвертер с соединением Multibody при помощи блока Rotational Multibody Interface. Для получения дополнительной информации см. раздел «Как передать информацию о положении».
Угол скользящего интерфейса в начале симуляции. Нулевой угол соответствует общему объему жидкости в конвертере, равному указанному мертвому объему. Значение по умолчанию 0 рад.
Если Mechanical orientation Pressure at A causes positive rotation of R relative to C, значение параметров должно быть больше или равно 0.
Если Mechanical orientation Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, значение параметров должно быть меньше или равно 0.
Этот параметр активируется, когда Interface rotation установлено на Calculate from velocity of port R relative to port C.
Объем перемещаемой жидкости на модуль вращения подвижной границы. Значение по умолчанию 0.01 m^3/ рад.
Объем жидкости, оставшейся в конвертере, когда угол раздела равен нулю. Мертвый объем позволяет блоку принимать во внимание массу и накопление энергии в конвертере даже при нулевом угле интерфейса. Значение по умолчанию 1e-5 м ^ 3.
Площадь потока входного отверстия конвертера, представленная портом A. Падения давления из-за изменений площади потока внутри конвертера игнорируются. Значение по умолчанию 0.01 м ^ 2.
Характеристики давления окружающего окружения. Выберите Atmospheric pressure установить давление окружения на атмосферное давление, заданное в блоке Two-Phase Fluid Properties (2P). Выберите Specified pressure для установки другого значения давления окружения. Настройкой по умолчанию является Atmospheric pressure.
Абсолютное давление окружающего окружения. Давление окружения влияет на внутреннее давление конвертера и влияет на движение вала конвертера. Этот параметр активен только, когда параметр Environment pressure specification установлен в Specified pressure. Значение по умолчанию, 0.101325 МПа, соответствует атмосферному давлению на среднем уровне моря.
Термодинамическая переменная, в терминах которой можно задать начальные условия компонента. Настройкой по умолчанию является Temperature.
Давление в ёмкости в начале симуляции, заданное относительно нуля. Значение по умолчанию 0.101325 МПа.
Температура в ёмкости в начале симуляции, заданная при абсолютном нуле. Этот параметр активен, когда опция Initial fluid energy specification установлена на Temperature. Значение по умолчанию 293.15 K.
Массовая доля пара в ёмкости в начале симуляции. Этот параметр активен, когда опция Initial fluid energy specification установлена на Vapor quality. Значение по умолчанию 0.5.
Объемная доля пара в ёмкости в начале симуляции. Этот параметр активен, когда опция Initial fluid energy specification установлена на Vapor void fraction. Значение по умолчанию 0.5.
Специфическая энтальпия жидкости в ёмкости в начале симуляции. Этот параметр активен, когда опция Initial fluid energy specification установлена на Specific enthalpy. Значение по умолчанию 1500 кДж/кг.
Удельная внутренняя энергия жидкости в ёмкости в начале симуляции. Этот параметр активен, когда опция Initial fluid energy specification установлена на Specific internal energy. Значение по умолчанию 1500 кДж/кг.
Характеристическая длительность события изменения фазы. Эта константа вводит временную задержку в переход между фазами. Значение по умолчанию 0.1 с.
Блок имеет следующие порты:
AДвухфазный порт для жидкости сопоставлен с входным отверстием конвертера.
HТепловой порт, представляющий поверхность конвертера, через которую происходит теплообмен.
RМеханический вращательный порт сопоставлен с ротором преобразователя.
CМеханический вращательный порт сопоставлен с корпусом конвертера.
PВходной порт физического сигнала, который передает информацию о положении от Simscape™ Multibody™ соединения. Подключите этот порт к порту q измерения положения соединения. Для получения дополнительной информации смотрите Соединение Simscape-сетей к Simscape Multibody Joints. Чтобы включить этот порт, установите параметр Interface rotation равным Provide input signal from Multibody joint.