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Pipe (TL)

用于导热系统流体供应的刚性管道。

类型: AcausalFoundation.ThermalLiquid.Elements.Pipe

pipe (tl)

图书馆中的路径:

/Physical Modeling/Fundamental/Thermal Liquid/Elements/Pipe (TL)

说明

管道 (TL)* 单元是装有固定体积流体的管段。流体因粘性摩擦而产生压力损失，流体与管壁之间因对流而产生热量传递。粘性摩擦力来自达西-韦斯巴赫方程，传热系数来自努塞尔特数关系。

管道中的水力效应

管道 (TL)* 块允许您加入动态可压缩性和流体惯性的影响。包含上述每种效应都可以提高模型的精度，但代价是增加方程的复杂性，并可能增加建模资源：

  • 当关闭动态可压缩性时，假定流体在管道中停留的时间可以忽略不计。因此，管道中没有质量累积，流入的质量等于流出的质量。这是最简单的方案。当管道中的液体质量只占系统中液体总质量的很小一部分时，就可以采用这种方案。

  • 在动态可压缩性条件下，流入和流出液体质量的不平衡会导致管道中液体的积聚或减少。因此，管道容积中的压力可以动态上升和下降，从而提供一定程度的系统柔性并调节快速的压力变化。该选项默认使用。

  • 如果启用了动态可压缩性，还可以启用流体惯性。这种效应会在摩擦阻力之外产生额外的流动阻力。这种额外阻力与质量流量的变化率成正比。考虑到流体惯性会减缓流速的快速变化，但也会导致高估流速和流速波动。此方案适用于很长的管道。包含流体惯性并串联多个管段，以模拟压力波沿管道传播，如水锤。

质量守恒

管道的质量守恒方程如下：

еслидинамическаясжимаемостьжидкостиотключенаеслидинамическаясжимаемостьжидкостивключена

其中

  • - 是通过端口 A 的质量流量；

  • - 是通过端口 B 的质量流量；

  • - 是管道中液体的体积；

  • - 管道中与温度有关的液体密度；

  • - 管道中的等温体积弹性模量；

  • - 管内等压热膨胀系数；

  • - 管道中与温度有关的液体密度；

  • - 管道中冷却剂的温度。

动量守恒

下表列出了每半根管道的动量守恒方程。

对于邻近端口的半管 A

еслиинерцияжидкостиотключенаеслиинерцияжидкостивключена

用于与端口相邻的半根管道 B

еслиинерцияжидкостиотключенаеслиинерцияжидкостивключена

在公式

  • - 管道的横截面积

  • - 管道中的液体压力

  • - 端口入口处的流体压力 A；

  • - 端口入口处的流体压力 B；

  • - 管道中心与端口之间的粘性摩擦压力损失 A；

  • - 管道中心与端口 B 之间的粘性摩擦压力损失。

粘性摩擦压力损失

下表列出了每一半管道的粘性摩擦压力损失公式。

对于与端口*A*相邻的一半管道

еслиесли

与接口*B*相邻的一半管道

еслиесли

在公式

  • λ - 管道形状系数

  • ν - 管道中导热流体的运动粘度

  • - 管道局部损耗的累积等效长度

  • - 管道的水力直径

  • - 与端口*A*相邻的一半管道中的达西摩擦系数；

  • - 与端口 B 相邻的一半管道中的达西摩擦系数；

  • 和 - 分别为端口 A 和 B 的雷诺数；

  • - 雷诺数，超过此数，流动变为紊流；

  • - 雷诺数，低于雷诺数，流动变为层流。

达西摩擦系数来自湍流状态下的哈兰德近似值：

其中

  • - 达西摩擦系数；

  • - 管道表面的粗糙度。

能量守恒

管道的能量守恒方程如下：

ρ

其中

  • 和 分别是通过端口 A 和 B 进入管道的能量流；

  • - 是通过管壁进入管道的热通量。

通过管壁的热通量

导热流体与管壁之间的热通量为

其中

  • - 是通过管壁的热通量；

  • - 在非零流速下因对流而产生的部分热通量；

  • - 是管道中导热流体的导热系数；

  • - 管壁的表面积，即管道周长与长度的乘积；

  • - 管壁温度。

假设温度沿管道呈指数分布，则对流换热的计算公式如下

其中

  • - 是通过端口 A 到端口 B 的平均质量流量；

  • - 是平均温度下的比热；

  • - 入口温度与流向的函数关系。

传热系数 取决于努塞尔特数：

其中 是平均温度下的导热系数。

努塞尔特数取决于流动状态。

层流状态下的努塞特数是常数，等于参数*层流传热的努塞特数*的值。

湍流状态下的努塞尔特数由格内林斯基关系式计算得出：

其中 是平均雷诺数下的达西摩擦系数， ， 是在平均温度下计算得出的普朗特数。

平均雷诺数的计算公式为

其中 μ 是在平均温度下估算的动态粘度。

当平均雷诺数介于*层流雷诺数上限*和*湍流雷诺数下限*之间时，努塞特数在层流和湍流努塞特数值之间平稳过渡。

假设和限制

  • 管壁是刚性的

  • 充分发展的流动。

  • 重力影响可忽略不计。

端口

非定向

A - 管道入口或出口
导热流体

导热流体端口，对应管道入口或出口。该端口本身没有方向性。

B - 管道入口或出口
导热液体

导热流体端口，对应管道入口或出口。该端口本身没有方向性。

H 是管道壁的温度
热量

是与管壁温度相关的端口。该温度可能与管道内导热流体的温度不同。

参数

几何形状

管道长度 - 管道长度
5 米（默认值）

沿流动方向的管道长度。

横截面积 - 横截面积
`0.01 m^2（默认值） `

管道法线方向的横截面积。

液压直径 - 液压直径
0.1128米（默认值）。

横截面积相同的等效圆柱形管道的直径。

摩擦和传热

局部阻力的总等效长度 - 管道中存在的所有局部阻力的总长度
1 米（默认值）

管道中所有局部电阻的总等效长度。

局部阻力包括弯管、管件、接头、管道入口和出口。局部阻力的作用是增加管段的有效长度。仅在计算摩擦力时，将此长度加到管道的几何长度上。

管道内的流体体积只取决于管道的几何长度，由参数 * 管道长度 * 定义。

内表面绝对粗糙度 - 管道内表面的绝对粗糙度
15e-6 m（默认值）。

管道内表面所有影响紊流状态下压力损失的表面缺陷的平均深度。

层流雷诺数上限 - 超过此雷诺数时，流动开始从层流模式转变为湍流模式
2000（默认值）

雷诺数，超过此值后，流动开始从层流变为湍流。

该数值等于与完全发展的层流相对应的最大雷诺数。

紊流雷诺数下限 - 雷诺数低于此值时，流动开始从紊流变为层流
4000（默认值）

雷诺数，低于该值，流动开始从紊流变为层流。

该数值等于与完全发展的湍流相对应的最小雷诺数。

层流粘性摩擦形状系数 - 层流粘性摩擦形状系数
64（默认值

反映管道横截面几何形状对层流状态下粘性摩擦损失影响的无量纲系数。

典型值：圆形截面为 64，方形截面为 57，长宽比为 2 的矩形截面为 62，薄环形截面为 96。

层流传热的努塞尔特数 - 层流传热的努塞尔特数
3.66（默认值）

层流状态下对流传热与传导传热之比。其值取决于管道横截面的几何形状和管壁的热边界条件，如恒温或恒定热通量。

对于管壁温度恒定的圆形截面，其典型值为 3.66。

影响和初始条件

流体动态可压缩性 - 流体动态可压缩性
开（默认）` | 关

选择该参数的复选框可在模拟中考虑流体动态可压缩性。

动态可压缩性使流体密度取决于压力和温度，从而影响系统在小时间尺度上的瞬态响应。

流体惯性 - 流体惯性
关闭（默认） | 开启

选择该参数的复选框可在模拟中考虑流体惯性。

流动惯性表示流体对质量流量变化的阻力。

依赖关系

要启用流体惯性，请选择*流体动态可压缩性*复选框。

*初始液体压力*为零点时的液体压力
0.101325兆帕（默认值）"。

模拟开始时管道内的液体压力。

依赖关系

要启用零时流体压力，请选择*流体动态可压缩性*复选框。

初始液体温度*是液体在零点时的温度
293.15K（默认值）。

模拟开始时管道中的液体温度。

从端口 A 到端口 B 的初始质量流量 - 零时刻的质量流量
0 千克/秒（默认值

端口 A 至端口 B 在零点时刻的质量流量。

依赖关系

要启用零时质量流量，请选中*流体惯性*复选框。