Rotational Mechanical Converter (2P)

Страница в процессе разработки.

Интерфейс между сетями двухфазной жидкости и вращательной механики.

Тип: AcausalFoundation.TwoPhaseFluid.Elements.RotationalMechanicalConverter

Путь в библиотеке:

/Physical Modeling/Fundamental/Two Phase Fluid/Elements/Rotational Mechanical Converter (2P)

Описание

Блок Rotational Mechanical Converter (2P) моделирует интерфейс между сетью двухфазной жидкости и сетью механики вращательного движения. В блоке преобразуется давление двухфазной жидкости в механический крутящий момент и наоборот.

Этот блок позволяет моделировать поворотный привод, приводимый в движение двухфазной жидкостью. Однако он не учитывает инерцию, трение или жесткие упоры, которые обычно используются в поворотных приводах. Вы можете моделировать эти эффекты отдельно с помощью блоков Inertia, Rotational Friction и Rotational Hard Stop.

Порт A представляет собой отверстие, через которое жидкость входит и выходит из преобразователя. Порты C и R представляют собой корпус и вал преобразователя соответственно. Порт H представляет собой стенку, через которую преобразователь обменивается теплом с окружающей средой.

Направление крутящего момента

Направление крутящего момента зависит от механической ориентации преобразователя. Если для параметра Mechanical orientation установлено значение Pressure at A causes positive rotation of R relative to C, то положительный расход через входное отверстие стремится повернуть вал в положительном направлении относительно корпуса преобразователя.

Положительное направление вращения

rotational mechanical converter 2p 1

Если для параметра Mechanical orientation установлено значение Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, то положительный массовый расход через входное отверстие стремится повернуть вал в отрицательном направлении относительно корпуса преобразователя.

Отрицательное направление вращения

rotational mechanical converter 2p 2

Сопротивление потоку и тепловое сопротивление

Сопротивление потоку между портом A и внутренним пространством преобразователя принимается пренебрежимо малым. Потери давления между ними приблизительно равны нулю. Поэтому давление в порту A равно давлению в преобразователе:

где

— давление в порту A;
— давление в преобразователе.

Аналогично, тепловое сопротивление между портом H и внутренним пространством преобразователя считается пренебрежимо малым. Градиент температуры между ними приблизительно равен нулю. Поэтому температура в порту H равна температуре в преобразователе:

где

— температура в порту H;
— температура в преобразователе.

Объем жидкости

Объем жидкости в преобразователе — это сумма мертвого объема и объема вытесненной жидкости. Мертвый объем — это количество жидкости, оставшееся в преобразователе при нулевом угле поворота вала. Этот объем позволяет моделировать эффекты динамической сжимаемости и теплоемкости, даже когда вал находится в нулевом положении.

Объем вытесненной жидкости — это количество жидкости, добавляемое в преобразователь в результате вращения вала. Этот объем увеличивается по мере увеличения угла поворота вала. Общий объем в преобразователе в зависимости от поворота вала составляет

где

— общий объем жидкости в преобразователе;
— мертвый объем преобразователя;
— объем вытесненной жидкости на единицу поворота вала;
— угол поворота вала;
— коэффициент механической ориентации. Если значение параметра Mechanical orientation Pressure at A causes positive rotation of R relative to C, то . Если Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, то .

Поворот вала равен нулю, когда объем жидкости равен мертвому объему. Тогда, в зависимости от значения параметра Mechanical orientation:

Если Pressure at A causes positive rotation of R relative to C, то угол поворота вала увеличивается, когда объем жидкости увеличивается по сравнению с мертвым объемом.
Если Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, то угол поворота вала уменьшается, когда объем жидкости увеличивается по сравнению с мертвым объемом.

Баланс крутящих моментов

При равновесии внутреннее давление в преобразователе противодействует внешнему давлению окружающей среды и крутящему моменту, действующему со стороны механической сети на вал. Этот крутящий момент обратен крутящему моменту, который приложен к сети жидкости. Таким образом, баланс крутящего момента в преобразователе выглядит следующим образом

где

— давление окружающей среды снаружи преобразователя;
— величина крутящего момента, приложенного со стороны сети жидкости на вал.

Сохранение энергии

Полная энергия в преобразователе может изменяться за счет потока энергии через входное отверстие, теплового потока через стенку преобразователя и работы, совершаемой механической сетью. Поток энергии, определяемый уравнением сохранения энергии, равен

где

— полная энергия жидкости в преобразователе;
— поток энергии в преобразователь через порт A;
— тепловой поток, поступающий в преобразователь через порт H.

Если принять, что кинетическая энергия жидкости в преобразователе пренебрежимо мала, то полная энергия жидкости уменьшается до:

где

— масса жидкости в преобразователе;
— удельная внутренняя энергия жидкости в преобразователе.

Сохранение массы

Масса жидкости в преобразователе может изменяться за счет потока через входное отверстие, представленное портом A. Таким образом, массовый расход, определяемый уравнением сохранения массы, равен

где — массовый расход жидкости в преобразователе через порт A.

Изменение массы жидкости может сопровождаться изменением объема жидкости из-за вращения вала. Оно также может сопровождаться изменением плотности жидкости из-за изменения давления или удельной внутренней энергии в преобразователе. Тогда массовый расход в преобразователе равен

где

— частная производная плотности по давлению при постоянной удельной внутренней энергии;
— частная производная плотности по удельной внутренней энергии при постоянном давлении;
— удельный объем жидкости в преобразователе.

Частные производные плотности изменяются между областями с помощью кубической полиномиальной функции. При степени сухости в интервале 0–0.1 эта функция обеспечивает плавное изменение производных между областями переохлажденной жидкости и двухфазной смеси. При степени сухости в интервале 0.9–1 она обеспечивает плавное изменение производных между областями двухфазной смеси и перегретого пара.

Сглаженные частные производные плотности вносят в исходное уравнение сохранения массы нежелательные численные ошибки. Чтобы исправить эти ошибки, блок добавляет поправочный член

где

— поправочный член;
— постоянная времени фазового перехода — характерная длительность события фазового перехода. Эта постоянная гарантирует, что фазовые переходы не происходят мгновенно, фактически вводя временную задержку всякий раз, когда они происходят.

Окончательный вид уравнения сохранения массы:

Блок использует это уравнение для расчета внутреннего давления в преобразователе с учетом массового расхода через входное отверстие.

Допущения и ограничения

Стенки преобразователя жесткие. Они не деформируются под давлением.
Сопротивление потоку между портом A и внутренним пространством преобразователя пренебрежимо мало. Давление одинаково в порту A и во внутреннем пространстве преобразователя.
Тепловое сопротивление между портом H и внутренним пространством преобразователя пренебрежимо мало. Температура в порту H и во внутреннем пространстве преобразователя одинакова.
Вал идеально герметичен. Утечки жидкости между валом и корпусом отсутствуют.
Механические эффекты, такие как жесткие упоры, инерция и трение, не учитываются.

Порты

Ненаправленные

# A — вход двухфазной жидкости
двухфазная жидкость

Details

Порт двухфазной жидкости, соответствует входу преобразователя.

Имя для программного использования

port

# C — корпус
вращательная механика

Details

Механический вращательный порт, соответствует корпусу преобразователя.

Имя для программного использования

case_flange

# R — вал
вращательная механика

Details

Механический вращательный порт, соответствует валу преобразователя.

Имя для программного использования

rod_flange

# H — тепловой порт
тепло

Details

Тепловой порт, представляющий собой поверхность преобразователя, через которую происходит теплообмен.

Имя для программного использования

thermal_port

Параметры

Main

# Mechanical orientation — ориентация преобразователя
Pressure at A causes positive rotation of R relative to C | Pressure at A causes negative rotation of R relative to C

Details

Задает ориентацию движения механической части по отношению к изменению объема жидкости:

Pressure at A causes positive rotation of R relative to C — увеличение объема жидкости приводит к положительному вращению порта R относительно порта C.
Pressure at A causes negative rotation of R relative to C — увеличение объема жидкости приводит к отрицательному вращению порта R относительно порта C.

Значения	`Pressure at A causes positive rotation of R relative to C` \| `Pressure at A causes negative rotation of R relative to C`
Значение по умолчанию	`Pressure at A causes positive rotation of R relative to C`
Имя для программного использования	`orientation`
Вычисляемый	Нет

# Initial interface rotation — начальный угол поворота порта R относительно порта C
rad | deg | rev | mrad | arcsec | arcmin | gon

Details

Начальный угол поворота порта R относительно порта C. Значение 0 соответствует начальному объему жидкости, равному Dead volume.

Если Mechanical orientation имеет значение Pressure at A causes positive rotation of R relative to C, значение параметра должно быть больше или равно 0.
Если Mechanical orientation имеет значение Pressure at A causes negative rotation of R relative to C, значение параметра должно быть меньше или равно 0.

Единицы измерения	`rad` \| `deg` \| `rev` \| `mrad` \| `arcsec` \| `arcmin` \| `gon`
Значение по умолчанию	`0.0 rad`
Имя для программного использования	`torque_start`
Вычисляемый	Да

Details

Объем вытесненной жидкости на единицу поворота вала.

Единицы измерения	`m^3/rad` \| `mm^3/rad` \| `cm^3/rad` \| `km^3/rad` \| `m^3/deg` \| `cm^3/rev` \| `m^3/rev` \| `l/rad` \| `l/rev` \| `in^3/rad` \| `ft^3/rad` \| `gal/rad` \| `igal/rad` \| `in^3/deg` \| `in^3/rev` \| `gal/rev`
Значение по умолчанию	`0.01 m^3/rad`
Имя для программного использования	`volume_displacement`
Вычисляемый	Да

# Dead volume — объем жидкости при нулевом угле поворота вала
m^3 | um^3 | mm^3 | cm^3 | km^3 | ml | l | gal | igal | in^3 | ft^3 | yd^3 | mi^3

Details

Объем жидкости при угле поворота вала, равном 0. Мертвый объем позволяет блоку учитывать накопление массы и энергии в преобразователе даже при нулевом угле поворота вала.

Единицы измерения	`m^3` \| `um^3` \| `mm^3` \| `cm^3` \| `km^3` \| `ml` \| `l` \| `gal` \| `igal` \| `in^3` \| `ft^3` \| `yd^3` \| `mi^3`
Значение по умолчанию	`1.0e-5 m^3`
Имя для программного использования	`dead_volume`
Вычисляемый	Да

# Cross-sectional area at port A — площадь по нормали к сечению потока на входе в преобразователь
m^2 | um^2 | mm^2 | cm^2 | km^2 | in^2 | ft^2 | yd^2 | mi^2 | ha | ac

Details

Площадь поперечного сечения входного отверстия преобразователя, обозначенного портом A. Потери давления, вызванные изменением площади поперечного сечения внутри преобразователя, игнорируются.

Единицы измерения	`m^2` \| `um^2` \| `mm^2` \| `cm^2` \| `km^2` \| `in^2` \| `ft^2` \| `yd^2` \| `mi^2` \| `ha` \| `ac`
Значение по умолчанию	`0.01 m^2`
Имя для программного использования	`port_area`
Вычисляемый	Да

# Environment pressure specification — способ задания давления окружающей среды
Atmospheric pressure | Specified pressure

Details

Задает способ задания давления окружающей среды:

Atmospheric pressure — атмосферное давление;
Specified pressure — значение, заданное параметром Environment pressure.

Значения	`Atmospheric pressure` \| `Specified pressure`
Значение по умолчанию	`Atmospheric pressure`
Имя для программного использования	`pressure_type`
Вычисляемый	Нет

# Environment pressure — давление вне преобразователя
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg

Details

Абсолютное давление окружающей среды. Давление окружающей среды противодействует внутреннему давлению преобразователя и влияет на движение вала преобразователя.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Environment pressure specification значение Specified pressure.

Единицы измерения	`Pa` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg`
Значение по умолчанию	`0.101325 MPa`
Имя для программного использования	`p_environment`
Вычисляемый	Да

Effects and Initial Conditions

# Initial fluid energy specification — термодинамическая переменная, используемая для определения начальных условий
Temperature | Vapor quality | Vapor void fraction | Specific enthalpy | Specific internal energy

Details

Термодинамическая переменная, используемая для определения начальных условий блока.

Значение параметра Initial fluid energy specification ограничивает доступные начальные состояния для двухфазной жидкости. Когда значение Initial fluid energy specification задано следующим образом:

Temperature — укажите начальное состояние, представляющее собой переохлажденную жидкость или перегретый пар. Нельзя указать смесь жидкости и пара, поскольку температура постоянна в области смеси жидкости и пара.
Vapor quality — укажите начальное состояние, представляющее собой смесь жидкости и пара. Нельзя указать переохлажденную жидкость или перегретый пар, поскольку массовая доля равна 0 и 1 соответственно во всей области. Кроме того, блок ограничивает давление до значения ниже критического давления.
Vapor void fraction — укажите начальное состояние, представляющее собой смесь жидкости и пара. Нельзя указать переохлажденную жидкость или перегретый пар, поскольку массовая доля равна 0 и 1 соответственно во всей области. Кроме того, блок ограничивает давление до значения ниже критического давления.
Specific enthalpy — укажите удельную энтальпию жидкости. Блок не ограничивает начальное состояние.
Specific internal energy — укажите удельную внутреннюю энергию жидкости. Блок не ограничивает начальное состояние.

Значения	`Temperature` \| `Vapor quality` \| `Vapor void fraction` \| `Specific enthalpy` \| `Specific internal energy`
Значение по умолчанию	`Temperature`
Имя для программного использования	`energy_type`
Вычисляемый	Нет

# Initial pressure — абсолютное давление в начале симуляции
Pa | uPa | hPa | kPa | MPa | GPa | kgf/m^2 | kgf/cm^2 | kgf/mm^2 | mbar | bar | kbar | atm | ksi | psi | mmHg | inHg

Details

Давление жидкости в преобразователе в начале симуляции, заданное относительно абсолютного нуля.

Единицы измерения	`Pa` \| `uPa` \| `hPa` \| `kPa` \| `MPa` \| `GPa` \| `kgf/m^2` \| `kgf/cm^2` \| `kgf/mm^2` \| `mbar` \| `bar` \| `kbar` \| `atm` \| `ksi` \| `psi` \| `mmHg` \| `inHg`
Значение по умолчанию	`0.101325 MPa`
Имя для программного использования	`p_start`
Вычисляемый	Да

Details

Температура жидкости в преобразователе в начале симуляции, заданная относительно абсолютного нуля.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Initial fluid energy specification значение Temperature.

Единицы измерения	`K` \| `degC` \| `degF` \| `degR` \| `deltaK` \| `deltadegC` \| `deltadegF` \| `deltadegR`
Значение по умолчанию	`293.15 K`
Имя для программного использования	`T_start`
Вычисляемый	Да

# Phase change time constant — характерная длительность события фазового перехода
s | ns | us | ms | min | hr | d

Details

Характерное время достижения равновесия при фазовом переходе в преобразователе. Эта константа вносит временную задержку в переход между фазами. Увеличьте этот параметр, чтобы уменьшить скорость фазового перехода, или уменьшите его, чтобы увеличить скорость.

Единицы измерения	`s` \| `ns` \| `us` \| `ms` \| `min` \| `hr` \| `d`
Значение по умолчанию	`0.1 s`
Имя для программного использования	`tau`
Вычисляемый	Да

# Initial vapor quality — массовая доля пара в начале симуляции

Details

Массовая доля пара в преобразователе в начале симуляции.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Initial fluid energy specification значение Vapor quality.

Значение по умолчанию	`0.5`
Имя для программного использования	`x_start`
Вычисляемый	Да

# Initial vapor void fraction — объемная доля пара в начале симуляции

Details

Объемная доля пара в преобразователе в начале симуляции.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Initial fluid energy specification значение Vapor void fraction.

Значение по умолчанию	`0.5`
Имя для программного использования	`alpha_start`
Вычисляемый	Да

# Initial specific enthalpy — удельная энтальпия в начале симуляции
J/kg | kJ/kg | cal/kg | kcal/kg | mm^2/s^2 | cm^2/s^2 | m^2/s^2 | km^2/s^2 | km^2/hr^2 | in^2/s^2 | ft^2/s^2 | ft^2/min^2 | mi^2/s^2 | mi^2/hr^2 | Pa/(kg/m^3) | psi/(lbm/ft^3) | bar/(kg/m^3)

Details

Удельная энтальпия жидкости в преобразователе в начале симуляции.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Initial fluid energy specification значение Specific enthalpy.

Единицы измерения	`J/kg` \| `kJ/kg` \| `cal/kg` \| `kcal/kg` \| `mm^2/s^2` \| `cm^2/s^2` \| `m^2/s^2` \| `km^2/s^2` \| `km^2/hr^2` \| `in^2/s^2` \| `ft^2/s^2` \| `ft^2/min^2` \| `mi^2/s^2` \| `mi^2/hr^2` \| `Pa/(kg/m^3)` \| `psi/(lbm/ft^3)` \| `bar/(kg/m^3)`
Значение по умолчанию	`1500.0 kJ/kg`
Имя для программного использования	`h_start`
Вычисляемый	Да

# Initial specific internal energy — удельная внутренняя энергия в начале симуляции
J/kg | kJ/kg | cal/kg | kcal/kg | mm^2/s^2 | cm^2/s^2 | m^2/s^2 | km^2/s^2 | km^2/hr^2 | in^2/s^2 | ft^2/s^2 | ft^2/min^2 | mi^2/s^2 | mi^2/hr^2 | Pa/(kg/m^3) | psi/(lbm/ft^3) | bar/(kg/m^3)

Details

Удельная внутренняя энергия жидкости в преобразователе в начале симуляции.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Initial fluid energy specification значение Specific internal energy.

Единицы измерения	`J/kg` \| `kJ/kg` \| `cal/kg` \| `kcal/kg` \| `mm^2/s^2` \| `cm^2/s^2` \| `m^2/s^2` \| `km^2/s^2` \| `km^2/hr^2` \| `in^2/s^2` \| `ft^2/s^2` \| `ft^2/min^2` \| `mi^2/s^2` \| `mi^2/hr^2` \| `Pa/(kg/m^3)` \| `psi/(lbm/ft^3)` \| `bar/(kg/m^3)`
Значение по умолчанию	`1500.0 kJ/kg`
Имя для программного использования	`u_start`
Вычисляемый	Да