管道 (G)
用于气体流动的刚性管道。
类型: AcausalFoundation.Gas.Elements.Pipe
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图书馆中的路径: |
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说明
管道 (G)* 程序块模拟管道中气体流动的动力学。该程序块考虑了粘性摩擦损失以及与管壁的对流热交换。管道中的气体体积恒定。压力和温度随气体的可压缩性和热容量而变化。当气体在出口处的速度达到音速时，流量就会达到临界值。
| 通过该阀块的气体流量可能达到临界值。如果流量传感器 (G) 块或与*管道 (G)* 块连接的*可控质量流量源 (G)* 块设置的质量流量高于该块可能的质量流量，则会出现模拟错误。 |
质量保证
质量守恒定律将质量流量与代表气体体积的内部节点的压力和温度动态联系起来：
,
其中
-
- 是恒温恒容条件下气体质量随压力变化的偏导数。
-
- 是气体质量在恒定压力和体积下的温度偏导数。
-
- 是气体体积的压力。假设端口 A、B、C 和 D 的压力等于该压力， 。
-
- 气体温度。端口 H 的温度假定等于此温度， 。
-
- 时间。
-
- 是通过端口 A 的质量流量。当气体流入气块时，与端口相关的流速为正值。
-
- 是通过端口 B 的质量流量。当气体流入阀块时，与端口相关的流量为正值。
能量平衡
能量守恒定律将能量和热量消耗与代表气体体积的内部单位的压力和温度动态联系起来：
,
其中
-
- 是恒温恒容条件下气体内能与压力的偏导数。
-
- 是气体内能在恒定压力和体积下的温度偏导数。
-
- 是端口 A 的能量流速。
-
- 端口 B 的能耗。
-
- 端口 H 的热流量。
理想气体和半理想气体模型的偏导数
在恒定体积下，气体的质量 M 和内能 U 与压力和温度的偏导数取决于气体的模型特性。对于理想气体和半理想气体模型，其方程如下：
在哪里？
-
- 是气体的密度。
-
- 是气体的体积。
-
- 气体的比焓。
-
- 压缩系数。
-
- 通用气体常数。
-
- 恒定气体压力下的比热容。
动量平衡
每一半管道的动量平衡模拟气体流动动量和粘性摩擦造成的压降：
在哪里？
-
- 端口 A、端口 B 或内部节点 I 处的气体压力，如下部指数所示。
-
- 端口 A、端口 B 或内部节点 I 处的密度，以小写字母表示。
-
- 管道的横截面积。
-
和 - 黏性摩擦造成的压力损失。
通过能量守恒方程，通过端口 H 与管壁进行的热交换被添加到内部节点所代表的气体能量中。因此，端口 A 和内部节点之间以及端口 B 和内部节点之间每一半管道的动量平衡被视为绝热过程。绝热关系：
其中 是端口 A、端口 B 或内部节点 I 处的比焓，如下部索引所示。
粘性摩擦造成的压力损失 和 取决于流动状态。管道两端的雷诺数定义如下
在哪里？
-
- 是管道的液压直径。
-
- 内部节点的动态粘度。
如果雷诺数小于*层流雷诺数上限*，则流动处于层流状态。如果雷诺数大于*紊流雷诺数下限*，则流动处于紊流状态。
在层流状态下，粘性摩擦造成的压力损失为：
在哪里？
-
- 层流粘性摩擦的形状系数 * 参数值。
-
- 参数值 局部阻力的总等效长度。
在湍流状态下，粘性摩擦的压力损失为：
在哪里？
-
- 端口 A 或 B 处的达西系数，以较低的指数表示。
达西系数根据哈兰德相关性计算得出：
其中
-
- 内表面绝对粗糙度*参数值。
当雷诺数介于层流的雷诺数上限和湍流的雷诺数下限的参数值之间时，流动处于层流和湍流之间的过渡状态。在过渡区域，粘性摩擦造成的压力损失与层流状态下的损失和湍流状态下的损失之间存在着平滑的关系。
对流换热
管壁与内部气体体积之间的对流换热方程：
式中
-
- 管道表面积， 。
假设温度沿管道呈指数分布，则对流传热等于
其中
-
- 入口温度取决于水流方向。
-
- 是从端口 A 到端口 B 的平均质量流量。
-
- 在平均温度下计算得出的比热容。
传热系数 取决于努塞尔特数：
其中
- 是按平均温度计算的传热系数。
努塞尔特数取决于流动状态。层流状态下的努塞尔特数是常数，等于参数*层流传热努塞尔特数*的值。 湍流状态下的努塞尔特数由格内林斯基方程计算得出：
其中
-
- 在平均温度下计算的普朗特数。
平均雷诺数为
其中
-
- 在平均温度下估算的动态粘度。
当平均雷诺数介于层流的雷诺数上限和湍流的雷诺数下限的参数值之间时，努塞特数对应于层流和湍流的努塞特数值之间的平稳过渡。
临界流
气体在*A*和*B*端口从管道减压时的质量流量为：
在哪里？
和 分别是端口 A 和 B 的声速。
端口 A 或 B 的开放状态压力等于相应变量的值：
将气体压力降低时的质量流量代入管道的动量平衡方程，即可得出*A* 和*B* 端口气体压力降低时的压力：
和 表示假定气体压力下降时由于粘性摩擦造成的压力损失。计算方法与 和 相同，用临界流的质量流量代替端口 A 和 B 的质量流量。
根据流量是否达到临界值，设备会将关闭或打开的压力值指定为端口的实际压力。管道出口处的流量可能达到临界值，但入口处的流量不会达到临界值。因此，如果 ，则端口 A 为入口， 。如果 ，则端口 A 为出口。
同样，如果 ，则端口 B 是输入， 。如果 ，则端口 B 是输出端。
端口
A - 输入或输出端口
气体
气体端口，相当于管道的入口或出口。该装置没有内部方向性。
B - 入口或出口接口
气体
气体端口，对应管道的入口或出口。该装置没有内部方向性。
H - 管壁温度
热量
与管壁温度相关的热端口。该温度可能与气体温度不同。
参数
管道长度 - 管道长度
5.0米（默认值）` - 管道长度
管道沿水流方向的长度。
横截面积 - 管道内部面积
0.01 m²（默认值）。
管道在垂直于流向的方向上的横截面积。
水力直径 - 截面积相同的等效圆柱形管道的直径
0.1米（默认值）。
横截面积相同的等效圆柱形管道的直径。
局部电阻的总等效长度 - 管道中存在的所有局部电阻的总长度
0.1 米（默认值）
管道中存在的所有局部电阻的总长度。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。在计算摩擦力时，该长度会被添加到管道的几何长度中。气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 - 管道内表面所有缺陷的平均深度
15e-6 m（默认值）。
管道内表面所有表面缺陷的平均深度，影响紊流状态下的压力损失。
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
2e3（默认值）"。
流体从层流开始变为湍流的雷诺数。该数值等于与完全发展层流相对应的最大雷诺数。
湍流雷诺数下限--雷诺数低于该值时，流动开始从湍流变为层流
4e3（默认值）"。
雷诺数，低于此值，流动开始从紊流变为层流。该数值等于与完全发展的紊流相对应的最小雷诺数。
达西摩擦因数的层流摩擦常数 - 达西摩擦因数的层流摩擦常数
64（默认值）
无量纲系数，表示管道横截面几何形状对层流状态下粘性摩擦损失的影响。典型值：64 "用于圆形截面，"57 "用于方形截面，"62 "用于长宽比为 "2 "的矩形截面，"96 "用于薄环形截面。
层流传热的努塞尔特数 - 对流传热与传导传热之比
3.66（默认值）
层流条件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。3.66 "的典型值适用于管壁温度恒定的圆形截面。
气体体积压力初始值 - 气体压力初始值
101325.0（默认）"。
气体压力初始值。
气体体积温度初始值 - 气体温度初始值
`293.15 K（默认值）。
气体温度初始值。
气体体积密度初始值 - 气体密度初始值
1.2（默认值）
气体密度初始值。