Документация

Предполагаемые приложения

Библиотека Gas содержит базовый элемент, такие как отверстия, ёмкости и пневмомеханические преобразователи, а также датчики и источники. Используйте эти блоки для модели газовых систем, для таких приложений, как:

Вы задаете свойства газа в соединенном цикле с помощью блока Gas Properties (G). Этот блок позволяет вам выбрать между тремя уровнями идеализации: идеальным газом, полупрозрачным газом или реальным газом (см. «Модели свойств газа»).

Сетевые переменные

Переменными Across являются давление и температура, а переменными Through - массовый расход жидкости и энергетические скорости потока жидкости. Обратите внимание, что эти варианты результата на графике псевдосвязи, потому что продукт давления и массового расхода жидкости не степени.

Модели свойств газа

Библиотека Gas поддерживает идеальный газ, полупрозрачный газ и реальный газ в одной и той же газовой области, порядке чтобы удовлетворить широкую область значений требований к моделированию. Три модели газовых свойств обеспечивают компромиссы между скоростью симуляции и точностью. Они также включают инкрементный рабочий процесс: вы начинаете с простой модели, которая требует минимальной информации о рабочем газе, а затем основываетесь на модели, когда становятся доступными более подробные данные о газовых свойствах.

Вы выбираете модель свойств газа при помощи блока Gas Properties (G), который задает свойства газа в соединенном контуре.

В следующей таблице представлены различные допущения для каждой модели свойств газа.

Идеальный закон о газе реализован в библиотеке Simscape™ Foundation Gas как

где:

Коэффициент сжимаемости, Z, обычно является функцией давления и температуры. Это учитывает отклонение от идеального поведения газа. Газ идеален, когда Z = 1. В идеальных и полупрозрачных моделях свойств газа Z должна быть постоянной, но она не должна равняться 1. Например, если вы моделируете неидеальный газ (Z ≠ 1), но температура и давление системы существенно не варьируются, можно использовать идеальную модель газа и задать соответствующее значение Z. В следующей таблице перечислены коэффициенты сжимаемости Z для различных газов на уровне 293,15 К и 0,101325 МПа:

Использование идеальной модели газа с постоянным значением Z, скорректированным на основе типа газа и условий работы, позволяет вам избежать дополнительной сложности и вычислительных затрат на переход к модели полупрозрачного или реального газового свойства.

Идеальная модель газовых свойств является хорошим исходным выбором при моделировании газовой сети, потому что она проста, вычислительно эффективна и требует ограниченной информации о рабочем газе. Он является правильным для одноатомных газов и, как правило, достаточно точным для газов, таких как сухой воздух, двуокись углерода, кислород, водород, гелий, метан, природный газ и так далее, при стандартных условиях.

Когда газовая сеть работает вблизи контура насыщения или работает в очень широкой области значений температур, рабочий газ может проявлять мягкое неидеальное поведение. В этом случае, после успешной симуляции газовой сети с идеальной моделью газовых свойств, рассмотрите переход на модель полупрозрачных газовых свойств.

Наконец, рассмотрите переход на модель свойств реального газа, если ожидается, что рабочий газ покажет сильно неидеальное поведение, такое как тяжелые газы с большими молекулами. Эта модель является самой дорогой с точки зрения вычислительных затрат и требует подробной информации о рабочем газе, потому что она использует 2-D интерполяцию для всех свойств.

Блоки с объемом газа

Компоненты в газовой области моделируются с помощью объемов управления. Объем управления охватывает газ внутри компонента и отделяет его от окружающего окружения и других компонентов. Газовые потоки и тепловые потоки через поверхность управления представлены портами. Объем газа внутри компонента представлен с помощью внутреннего узла, который обеспечивает давление и температуру газа внутри компонента. Этот внутренний узел не отображается, но вы можете получить доступ к его параметрам и переменным с помощью логгирования данных Simscape. Для получения дополнительной информации смотрите О логгировании данных моделирования.

Следующие блоки в библиотеке Gas моделируются как компоненты с объемом газа. В случае Controlled Reservoir (G) и Reservoir (G) объём принимается бесконечно большим.

Другие компоненты имеют относительно небольшие объемы газа, так что газ, поступающий в компонент, проводит незначительное время внутри компонента перед выходом. Эти компоненты считаются квазистационарными, и они не имеют внутреннего узла.

Ссылочный узел и правила заземления

В отличие от механических и электрических областей, где каждая топологически отличная схема в области должна содержать по меньшей мере один эталонный блок, газовые сети имеют различные правила заземления.

Блоки с объемом газа содержат внутренний узел, который обеспечивает давление и температуру газа внутри компонента и поэтому служит ссылка узлом для газовой сети. Каждая подключенная газовая сеть должна иметь по крайней мере один опорный узел. Это означает, что каждая подключенная газовая сеть должна иметь по крайней мере один из блоков, перечисленных в блоках с объемом газа. Другими словами, газовая сеть, которая не содержит объема газа, является недействительной газовой сетью.

Библиотека Foundation Gas содержит блок Absolute Reference (G), но, в отличие от других областей, вы не используете его для заземления контуров газа. Цель блока Absolute Reference (G) состоит в том, чтобы обеспечить ссылку для Pressure & Temperature Sensor (G). Если вы используете блок Absolute Reference (G) в другом месте газовой сети, это вызовет симуляцию, потому что давление и температура газа не могут быть в абсолютном нуле.

Начальные условия для блоков с конечным объемом газа

В этом разделе рассматриваются конкретные требования инициализации для блоков, смоделированных с конечным объемом газа. Эти блоки перечислены в блоках с объемом газа.

Состояние объема газа динамически развивается на основе взаимодействий со связанными блоками через массовые и энергетические потоки. Временные константы зависят от сжимаемости и теплоемкости объема газа.

Состояние объема газа представлено дифференциальными переменными во внутреннем узле блока. В качестве дифференциальных переменных они требуют, чтобы начальные условия были заданы до начала симуляции. Диалоговое окно каждого блока, смоделированного с конечным объемом газа, имеет вкладку Variables, которая приводит три переменные:

По умолчанию Pressure of gas volume и Temperature of gas volume имеют высокий приоритет, с целевыми значениями, равными стандартному условию (0.101325 MPa и 293.15 K). Можно настроить целевые значения, чтобы представлять соответствующее начальное состояние объема газа для блока. Density of gas volume имеет приоритет по умолчанию None потому что для полного определения начального состояния объема газа необходимы только начальные условия двух из трех переменных. При желании альтернативным способом определения начальных условий является изменение Density of gas volume на высокий приоритет с соответствующим целевым значением, а затем изменение Pressure of gas volume или Temperature of gas volume на приоритет нет.

Важно, чтобы только две из трех переменных имели свои приоритеты, установленные на High для каждого блока с конечным объемом газа. Наложение высокоприоритетных ограничений на все три переменные приводит к сверхспецификации, при этом решатель не может найти решение инициализации, которое удовлетворяет желаемым начальным значениям. И наоборот, размещение высокоприоритетного ограничения только на одной переменной делает систему недостаточно заданной, и решатель может разрешить переменные с произвольными и неожиданными начальными значениями. Для получения дополнительной информации об инициализации переменной и работе с сверхспецификацией, смотрите Инициализация переменных для системы Mass-Spring-Damper.

В блоках, которые моделируются с бесконечно большим объемом газа, состояние объема газа принято квазистеадным, и нет необходимости задавать начальное условие.

Дроссельный поток

Поток газа через Local Restriction (G), Variable Local Restriction (G) или Pipe (G) блоки может стать подавленным. Удушье происходит, когда скорость потока достигает локальной скорости звука. Когда поток дросселируется, скорость в точке дросселирования не может увеличиться дальше. Однако массовый расход жидкости все еще может увеличиться, если плотность газа увеличивается. Это может быть достигнуто, например, путем увеличения давления в восходящем направлении от точки дросселирования. Эффект удушья в газовой сети заключается в том, что массовый расход жидкости через ветвь, содержащую дроссельный блок, полностью зависит от давления и температуры в восходящем направлении. Пока поддерживается состояние дросселирования, этот дроссельный массовый расход жидкости не зависит от любых изменений, происходящих в давлении ниже по потоку.

Следующая модель иллюстрирует дроссельный поток. В этой модели Ramp блок имеет наклон 0,005 и время начала 10. Блок Simulink-PS Converter Input signal unit установлен на Mpa. Все другие блоки имеют значения параметров по умолчанию. Время симуляции 50 с. При симуляции модели давление в порту А блока Local Restriction (G) линейно увеличивается от атмосферного давления, начиная с 10 с. Давление в порту B фиксируется при атмосферном давлении.

Следующий рисунок показывает записанные данные моделирования для блока Local Restriction (G). Число Маха в ограничении (Mach_R) достигает 1 около 20 с, что указывает на то, что поток подавлен. Массовый расход жидкости (mdot_A) перед дросселированием потока следует типичному квадратичному поведению относительно возрастающего различия давления. Однако массовый расход жидкости после дросселирования потока становится линейным, потому что дроссельный массовый расход жидкости зависит только от давления и температуры выше по потоку, и давление выше по потоку увеличивается линейно.

Тот факт, что дроссельный массовый расход жидкости зависит только от условий в восходящем направлении, может вызвать несовместимость с Mass Flow Rate Source (G) или Controlled Mass Flow Rate Source (G), соединенной ниже по потоку от дроссельного блока. Рассмотрим модель, показанную на следующем рисунке, которая содержит блок Controlled Mass Flow Rate Source (G) вместо Controlled Pressure Source (G).

Если бы источник командовал увеличением массового расхода жидкости слева направо через Local Restriction (G), симуляция прошло бы, даже если бы поток стал подавлен, потому что Controlled Mass Flow Rate Source (G) был бы выше по потоку от задавленного блока. Однако в этой модели блок Gain меняет направление потока на противоположное, так что Controlled Mass Flow Rate Source (G) находится ниже по потоку от подавленного блока. Давление в восходящем направлении Local Restriction (G) фиксируется при атмосферном давлении. Поэтому массовый расход жидкости в этой ситуации является постоянным. Когда командуемый массовый расход жидкости увеличивается, в конечном счете он станет больше, чем это постоянное значение подавленного массового расхода жидкости. На этой точке командованные массовые расходы жидкости и задавленные массовые расходы жидкости не могут быть согласованы, и симуляция прекращает работать. Просмотр записанных данных моделирования в Simscape Results Explorer показывает, что симуляция прекращает работать как раз в той точке, когда число Маха достигает 1, и поток становится подавленным.

В целом, если модель вероятно задохнется, используйте источники давления, а не источники массового расхода жидкости. Если модель содержит исходные блоки массового расхода жидкости жидкости, и симуляция прекращает работать, используйте Simscape Results Explorer, чтобы просмотреть переменные числа Маха во всех блоках Local Restriction (G), Variable Local Restriction (G) и Pipe (G), соединенных вдоль той же ветви, что и источник массового расхода жидкости жидкости. Если отказ симуляции происходит, когда число Маха достигает 1, вероятно, что существует источник нижнего массового расхода, пытающийся вызвать массовый расход жидкости, больший, чем возможный подавленный массовый расход жидкости.

Переменная числа Маха для блоков ограничения называется Mach_R. Блок Pipe (G) имеет две переменные числа Маха, Mach_A и Mach_B, представляющие число Маха на порт А и порт B, соответственно.

Разворот потока

Поток газа через схему переносит энергию от одного объема газа к другому объему газа. Поэтому энергетическая скорость потока жидкости между двумя соединенными блоками зависит от направления потока. Если газ течет из блока A в блок B, тогда энергетическая скорость потока жидкости между этими двумя блоками основана на определенной общей энтальпии блока А. И наоборот, если газ течет из блока B в блок A, тогда энергетическая скорость потока жидкости между этими двумя блоками основана на определенной общей энтальпии блока B. Для сглаживания перехода для сходимости моделирования, энергетическая скорость потока жидкости также включает вклад, основанный на различии в конкретных общих энтальпиях двух блоков при низких массовых расходах жидкости. Область сглаживания управляется Gas Properties (G) параметров блоков Mach number threshold for flow reversal.

Следствием этого подхода является то, что температура узла между двумя соединенными блоками представляет температуру объема газа в восходящем направлении этого узла. Если в узле объединяются два или более восходящих путей потока, то температура в узле представляет взвешенную температуру среднего значения, основанную на идеальном смешении сливающихся потоков газа.

Сходимости моделирования могут быть сложными для моделей, которые показывают быстрое обращение потока и большие различия температуры между блоками. Быстрое обращение потока может быть результатом низких сопротивлений потоку (для примера, коротких трубопроводов) между большими объемами газа. Большие различия температур могут быть результатом энергии, добавляемой источниками для поддержания больших различий давления в модели с небольшим рассеиванием тепла. В этих моделях может потребоваться увеличить значение параметров Mach number threshold for flow reversal, чтобы избежать отказа симуляции.