4-Way 3-Position Directional Valve (G)

燃气管网中的四线三位分配阀。

类型: EngeeFluids.Gas.Valves.DirectionalControl.FourWayThreePosition

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/Fluids/Gas/Valves & Orifices/Directional Control Valves/4-Way 3-Position Directional Valve (G)

说明

四通三位换向阀 (G)* 装置是一种换向阀，有四个气口（P、A、B 和 T），它们之间有通道 P-A、A-T、P-B 和 B-T。每个通道都通过一个宽度可变的孔。端口 S 的输入信号控制着阀芯的位置。当阀芯关闭孔口时，方向控制阀关闭。

在典型的系统中，端口 P 与泵相连，端口 T 与水箱相连，端口 A 和 B 与双作用执行器相连。打开 P-A 和 B-T 通道可使泵对执行机构的一侧加压，而储油罐则对另一侧减压。在某些系统中，推杆轴会伸出，而在其他系统中则会缩回。打开 P-B 和 A-T 通道可使致动器的加压侧和减压侧相反，从而使轴向相反方向移动。

换向阀配置示例如图所示。

4 way 3 position directional valve il 1 cn

气流可以是层流或湍流，并可达到声速。最大流速出现在先导阀孔口的颈部，这里的流量最窄、速度最快。当出口压力与进口压力之比达到阀门特定的临界值时，流量将达到临界值。该装置不计算超音速流量。

阀门位置

换向阀为无级变速，可在一个正常位置和两个工作位置之间平滑切换。

当端口 S 中的阀芯移动值为零时，方向控制阀返回正常位置，不再工作。如果阀芯活塞相对于其端口没有位移，则方向控制阀完全关闭。

操作位置是指阀芯从正常位置向正方向或反方向尽可能移动时阀门移动到的位置。在这种情况下，一个阀嘴处于常闭状态，另一个阀嘴处于全开状态。

图 I 显示的是一个阀门，其运动方向为正方向，端口 P-A 和 B-T 完全打开，端口 P-B 和 A-T 完全关闭。图*II*显示的是一个阀门，其中运动方向为负方向，端口 P-A 和 B-T 完全关闭，端口 P-B 和 A-T 完全打开。图像 III 显示阀芯处于中位且所有孔口关闭的阀门。

4 way 3 position directional valve g 1

将换向阀移动到工作位置的阀芯运动取决于阀芯活塞的位移。阀门开启分量偏置*下的参数设置了恒定值，以确定阀芯活塞在端口处的偏置。

Valve Opening Fraction Offsets

在换向阀的不同位置之间，阀口的开口取决于阀芯活塞相对于边缘的位置。该距离即为阀口开度，阀块将该距离归一化，使其值成为阀口完全打开时最大距离的一部分。归一化变量即为孔口打开的程度。

当换向阀处于图 I 所示位置时，阀嘴的开启度范围为`-1`；当换向阀处于图 II 所示位置时，阀嘴的开启度范围为`+1`。

该装置根据阀芯移动量和阀口开启度的偏移量计算阀口开启度。位移和偏移量是活塞到阀嘴最大距离的无穷小分数。

孔口开度比 P-A 为：

孔的开口度 B-T 为：

洞口的开度 A-T 为：

孔洞的开口度 P-B 为：

在这些等式中

- 下标指定的孔的开口度。如果计算返回的值超出"[0, 1]"范围，程序块将使用最近的极限值；
- 孔口开度偏置，由 * 阀门开度分数偏置 * 部分中的参数设置。为了适应不寻常的扩张器配置，程序块不对其值施加限制，尽管它们通常在 -1 和 1 之间；
- 是标准化的阀芯位移，定义为 S 端口上的标量。为补偿端口开放程度的极端偏移，信号值不受限制。通常，该值的范围为 -1 至 1。

开孔度偏移

默认情况下，当控制行程为零时，方向控制阀处于完全关闭状态。在此状态下，阀门的重叠度为零。

您可以移动阀芯活塞来模拟部分重叠或完全重叠的分向阀。部分重叠方向控制阀在正常位置部分打开。全重叠方向控制阀在正常位置之外稍稍完全关闭。插图显示了孔口的开启度如何随阀芯的移动而变化。

图*I*：不重叠的方向控制阀。阀嘴开启度的位移为零。当阀门处于正常位置时，阀芯活塞完全关闭阀嘴。
图*II*：部分关闭的换向阀。P-A*和*B-T*孔口的开启度偏移为正值，*P-B*和*A-*T*孔口的开启度偏移为负值。当阀门处于正常位置时，阀芯活塞部分覆盖四个油口。
图*III*：关闭的换向阀。P-A*和*B-T*口的开启度偏移为负值，*P-B*和*A-*T*口的开启度偏移为正值。阀芯活塞不仅在正常位置，而且在其周围阀芯运动的小范围内完全覆盖所有孔。

4 way 3 position directional valve g 2

换向阀的参数化

程序块的性能取决于*阀门参数化*参数：

Cv 流量系数 - 流量系数决定了流量与压降的关系 [2]，[3]。
Kv 流量系数 - 流量系数确定流量与压降的关系， [2], [3].
Sonic conductance - 稳态声导定义了临界流量下的流动能力，即流速等于局部声速的条件。当出口压力与进口压力之比达到一个称为临界压力比的值时，流量即达到临界值[1]。
孔口面积"--孔口面积决定流量[4]。

孔口特征

流量特性将换向阀的阀嘴与入口值（通常是阀芯行程）联系起来。该装置通过声导率、流量系数或阀嘴横截面积计算阀嘴，具体取决于*阀门参数化*设置。控制输入为阀嘴开启度，它是在 S 端口设置的阀芯行程的函数。

流量特性通常是在稳态模式下给出的，此时入口压力恒定并受到严格控制。流量特性取决于阀门本身，可以是线性的，也可以是非线性的。要选择流量特性，请使用*开启特性*参数：

线性" - 流量是孔口开度的线性函数。随着开度从 "0 "增加到 "1"，流量从指定的最小值增加到指定的最大值。
制表"--吞吐量是一个通用函数，可以与孔口的开启程度成线性或非线性关系。该函数以表格形式显示，自变量由 * 开口率矢量 * 参数指定。

数值平滑

当*开度特性*设置为 "线性 "且*平滑系数*设置为非零值时，将对开度进行数值平滑处理。平滑有助于保持模拟的数值稳定性。

泄漏率

泄漏率可确保流体网络中没有任何部分是孤立的。孤立的流体部分会降低模型的数值稳定性，减慢模拟速度，有时甚至会导致模拟失败。泄漏流量分数*参数以大于零的小数表示泄漏区域。

复合结构

该模块是一个复合组件，由四个模块Orifice (G) 组成，分别与端口 P、A、B、T 和 S 相连。有关阀门参数化和计算的更多信息，请参见Orifice (G) 。

假设和限制

阀门参数化*中的 "声导 "值适用于气动系统。如果该参数用于空气以外的气体，则可能需要用比重的平方根来修正声导值。
对于非理想气体，"孔口面积 "参数化方程的精度较低。
本模块不模拟超音速流动。

端口

非定向

# A — 气体入口或出口
气体

Details

非定向端口，对应流入或流出。

程序使用名称

port_a

# B — 气体入口或出口
气体

Details

非定向端口，对应流入或流出。

程序使用名称

port_b

# P — 气体入口或出口
气体

Details

非定向端口，对应流入或流出。

程序使用名称

port_p

# T — 气体入口或出口
气体

Details

非定向端口，对应流入或流出。

程序使用名称

port_t

输入

# S — 控制信号
标量

Details

执行元件相对于其正常非工作位置的瞬时位移，以标量形式指定。该单位将相对于执行元件完全打开孔所需的最大位置的位移归一化。标量没有测量单位，其瞬时值范围通常为 -1 至 1。

数据类型	浮点 64
复数支持	无

参数

# Valve parameterization — 确定通过孔口的流量特性的方法
Cv flow coefficient | Kv flow coefficient | Sonic conductance | Orifice area

Details

质量流量计算方法基于：

Cv 流量系数 - 流量系数。
Kv 流量系数 - 流量系数，其定义为。
Sonic conductance - 稳态声导。
Orifice area - 孔口面积。

值	`Cv flow coefficient` \| `Kv flow coefficient` \| `Sonic conductance` \| `Orifice area`
默认值	`Cv flow coefficient`
程序使用名称	`valve_parameterization`
可计算	无

# Opening characteristic — 计算阀门开启特性的方法
Linear | Tabulated

Details

设备用于计算阀门开启面积的方法：

线性" - 开启面积是阀嘴开启度的线性函数。
制表"- 以表格形式指定的一般非线性关系。

值	`Linear` \| `Tabulated`
默认值	`Linear`
程序使用名称	`opening_characteristics`
可计算	无

# Maximum Cv flow coefficient — 与最大孔口面积相对应的流量系数

Details

当孔口截面积最大时，流量系数值。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "Cv 流量系数"，并将*开启特性*参数设置为 "线性"。

默认值	`4.0`
程序使用名称	`C_v_max`
可计算	是

# Opening fraction vector — 开度控制信号的数值

Details

容量测量 *Cv 系数矢量 * 设定的控制信号值矢量。控制信号值仅在 0 至 1 范围内等于开度。

必须按升序指定数值。矢量的维数与 *Cv 系数矢量*的维数一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*开口特性*参数设置为 "制表"，并将*孔口参数化*参数设置为 "Cv 流量系数"。

默认值	`[0:0.2:1…]`
程序使用名称	`opening_fraction_vector_C_v`
可计算	是

# Cv flow coefficient vector — 流量系数矢量

Details

流量系数矢量。必须以升序指定数值。矢量的维度与*开口分数矢量*的维度一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*开口特性*参数设置为 "制表"，*孔口参数化*参数设置为 "Cv 流量系数"。

默认值	`[1e-6, 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0]`
程序使用名称	`C_v_vector`
可计算	是

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — 临界压差比

Details

入口压力与出口压力之间的比率，定义为，流量在此比率下达到临界。如果不知道该值，可参见 ISA-75.01.01 [3] 中的表 2。默认值 0.7 适用于许多阀门。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "Cv 流量系数"。

默认值	`0.7`
程序使用名称	`delta_p_ratio_C_v`
可计算	是

# Maximum Kv flow coefficient — 与最大孔口面积相对应的流量系数

Details

当端口 L 的控制信号值为 "1 "且孔口面积最大时，流量系数的值为。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "Kv 流量系数"，并将*开启特性*参数设置为 "线性"。

默认值	`3.6`
程序使用名称	`K_v_max`
可计算	是

# Opening fraction vector — 开度控制信号的数值

Details

容量测量 *Kv 系数矢量 * 设定的控制信号值矢量。控制信号值仅在 0 至 1 范围内等于开度。

必须按升序指定数值。矢量的维数与 *Kv 系数矢量*的维数一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*开口特性*参数设置为 "制表"，并将*孔口参数化*参数设置为 "Kv 流量系数"。

默认值	`[0:0.2:1…]`
程序使用名称	`opening_fraction_vector_K_v`
可计算	是

# Kv flow coefficient vector — 流量系数矢量

Details

流量系数矢量。必须以升序指定数值。矢量的维度与*开口分数矢量*的维度一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*开口特性*参数设置为 "制表"，*孔口参数化*参数设置为 "Kv 流量系数"。

默认值	`[1e-6, 0.72, 1.44, 2.16, 2.88, 3.6]`
程序使用名称	`K_v_vector`
可计算	是

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — 临界压差比

Details

入口压力与出口压力之间的比率，定义为，流量在此比率下达到临界。如果不知道该值，可参见 ISA-75.01.01 [3] 中的表 2。默认值 0.7 适用于许多阀门。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "Kv 流量系数"。

默认值	`0.7`
程序使用名称	`delta_p_ratio_K_v`
可计算	是

# Maximum sonic conductance — 与最大孔径面积相对应的声导率
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

当 L 端口上的控制信号值为 "1 "且孔口横截面积最大时的声导率值。

依赖关系

要使用此参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"，并将*开启特性*参数设置为 "线性"。

计量单位	`l/(bars)` \| `gal/(minpsi)` \| `m^3/(Pa*s)`
默认值	`12.0 l/(bar*s)`
程序使用名称	`C_max`
可计算	是

# Critical pressure ratio — 临界压力比

Details

由当地声速决定的流量达到临界值和流速达到最大值时的压力比。出口压力与进口压力 : 之间的比率。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"，并将*开启特性*参数设置为 "线性"。

默认值	`0.3`
程序使用名称	`B_critical_linear`
可计算	是

# Opening fraction vector — 开度控制信号的数值

Details

控制信号值的矢量，在该矢量下设置吞吐量测量值*声导矢量*。控制信号值仅在 "0 "至 "1 "的范围内等于开度。

必须按升序指定数值。矢量的维数与*声导矢量*的维数一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*开口特性*参数设置为 "制表"，并将*孔口参数化*参数设置为 "声导"。

默认值	`[0:0.2:1…]`
程序使用名称	`opening_fraction_vector_C`
可计算	是

# Sonic conductance vector — 声导率矢量
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

声导率值矢量。数值应按升序排列。矢量的维度与*开口分数矢量*相对应。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"，*开口特性*参数设置为 "制表"。

计量单位	`l/(bars)` \| `gal/(minpsi)` \| `m^3/(Pa*s)`
默认值	`[1e-5, 2.4, 4.8, 7.2, 9.6, 12.0] l/(bar*s)`
程序使用名称	`C_vector`
可计算	是

# Critical pressure ratio vector — 临界压力比值矢量

Details

临界压力比向量。临界压力比是出口压力与进口压力之比，在此压力下，流量达到临界值，流速达到由当地声速决定的最大值。该矢量的维度与*开口分数矢量*的维度一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"，*开口特性*参数设置为 "制表"。

默认值	`0.3 * ones(6)`
程序使用名称	`B_critical_vector`
可计算	是

# Subsonic index — 用于计算亚音速流动状态下质量流量的度值

Details

一个经验值，用于更精确地计算亚音速流动状态下的质量流量。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"。

默认值	`0.5`
程序使用名称	`m`
可计算	是

Details

ISO 8778 标准参考气氛中的温度。

只有在使用不同参考值获得的声导率值时，才需要调整 ISO 参考参数值。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"。

计量单位	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
默认值	`293.15 K`
程序使用名称	`T_reference`
可计算	是

# ISO reference density — 参考密度符合 ISO 8778 标准
g/cm^3 | kg/m^3 | lbm/gal

Details

ISO 8778 标准参考气氛中的密度。

只有在使用不同参考值获得的声导率值时，才需要调整 ISO 参考参数值。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "声导"。

计量单位	`g/cm^3` \| `kg/m^3` \| `lbm/gal`
默认值	`1.185 kg/m^3`
程序使用名称	`rho_reference`
可计算	是

# Maximum orifice area — 与最大孔口面积相对应的流动截面积
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

端口 L 的控制信号值为 "1 "时的最大流通面积。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "孔口面积"，并将*开启特性*参数设置为 "线性"。

计量单位	`m^2` \| `cm^2` \| `ft^2` \| `in^2` \| `km^2` \| `mi^2` \| `mm^2` \| `um^2` \| `yd^2`
默认值	`1e-4 m^2`
程序使用名称	`max_restriction_area`
可计算	是

# Opening fraction vector — 开度控制信号的数值

Details

控制信号值的矢量，在该矢量下设置容量测量 * 开口面积矢量*。控制信号值仅在 0 至 1 范围内等于开度。

必须按升序指定数值。矢量的维数与*孔口面积矢量*的维数一致。

依赖关系

要使用该参数，请将*开口特性*参数设置为 "制表"，*开口参数化*参数设置为 "开口面积"。

默认值	`[0:0.2:1…]`
程序使用名称	`opening_fraction_vector_area`
可计算	是

# Orifice area vector — 孔面积值向量
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

孔横截面面积向量。该向量的维度与*开口率向量*相对应。该向量的第一个元素为泄漏面积，最后一个元素为最大孔口面积。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "孔口面积"，*开启特性*参数设置为 "制表"。

计量单位	`m^2` \| `cm^2` \| `ft^2` \| `in^2` \| `km^2` \| `mi^2` \| `mm^2` \| `um^2` \| `yd^2`
默认值	`[1e-10, 0.2e-4, 0.4e-4, 0.6e-4, 0.8e-4, 1e-4] m^2`
程序使用名称	`restriction_area_vector`
可计算	是

# Discharge coefficient — 流量系数

Details

修正系数是实际质量流量与理论质量流量之比。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "孔口面积"。

默认值	`0.64`
程序使用名称	`C_d`
可计算	是

# Leakage flow fraction — 成本率

Details

通过封闭孔口的流量与通过开放孔口的流量之比。

依赖关系

要使用该参数，请将*孔口参数化*参数设置为 "孔口面积"。

默认值	`1e-6`
程序使用名称	`leakage_fraction`
可计算	是

# Smoothing factor — 数值平滑因子

Details

连续平滑系数，通过修正孔口在接近打开和接近关闭位置的特性，确保顺利打开。

依赖关系

要使用该参数，请将 开启特性 设置为 "线性"。

默认值	`0.01`
程序使用名称	`smoothing_factor`
可计算	是

# Laminar flow pressure ratio — 气流在层流和湍流之间转换时的压力比

Details

气流在层流和湍流状态之间转换时的出口压力与进口压力之比。

典型值范围为 "0.995 "至 "0.999"。

默认值	`0.999`
程序使用名称	`B_laminar`
可计算	是

# Cross-sectional area at ports A, B, P, and T — 入口或出口面积
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

该面积用于计算通过端口的质量流量。

所有端口的尺寸相同。该参数的值必须与设备所连接组件的入口端口面积相匹配。

计量单位	`m^2` \| `cm^2` \| `ft^2` \| `in^2` \| `km^2` \| `mi^2` \| `mm^2` \| `um^2` \| `yd^2`
默认值	`0.01 m^2`
程序使用名称	`port_area`
可计算	是

阀门开启分数偏移

# Between ports P and A — 偏移信号为零时 P-A 阀嘴的开启度

Details

当输入信号 S 的值为零时，P-A 阀嘴的开启度。在这种情况下，阀门处于正常位置。开度测量的是从阀芯活塞到 P-A 孔的距离，以最大允许开度为标准。开度没有测量单位，其值通常在 0 和 1 之间。

默认值	`0.0`
程序使用名称	`offset_pa`
可计算	是

# Between ports B and T — 偏移信号为零时 B-T 阀口的开启度

Details

当输入信号 S 的值为零时，阀嘴 B-T 的开启度。在这种情况下，阀门处于正常位置。开度测量的是从阀芯活塞到*B*-*T*阀嘴的距离，以允许的最大开度为标准。开度没有测量单位，其值通常在 0 和 1 之间。

默认值	`0.0`
程序使用名称	`offset_bt`
可计算	是

# Between ports P and B — 偏移信号为零时 P-B 阀嘴的开启度

Details

当输入信号 S 的值为零时，P-B 阀嘴的开启度。在这种情况下，阀门处于正常位置。开度测量的是从阀芯活塞到 P-B 孔的距离，以最大允许开度为标准。开度没有测量单位，其值通常在 0 和 1 之间。

默认值	`0.0`
程序使用名称	`offset_pb`
可计算	是

# Between ports A and T — 偏移信号为零时 A-T 孔口的开启度

Details

当输入信号 S 的值为零时，阀嘴的开度 A-T。在这种情况下，阀门处于正常位置。开启度测量的是从阀芯活塞到 A-T 阀嘴的距离，以允许的最大开启度为标准。开度没有测量单位，其值通常在 0 和 1 之间。

默认值	`0.0`
程序使用名称	`offset_at`
可计算	是

文学

[1] ISO 6358-3。"气动流体动力—使用可压缩流体确定组件的流速特性—第 3 部分：系统稳态流速特性的计算方法"。2014.

[2] IEC 60534-2-3。"工业过程控制阀 - 第 2-3 部分：流量能力 - 测试程序》。2015.

[3] ANSI/ISA-75.01.01。"工业过程控制阀—第 2-1 部分：流通能力—安装条件下流体流量的选型公式"。2012.

[4] P. Beater.气动驱动》。Springer-Verlag Berlin Heidelberg。2007.