Translational Mechanical Converter (G)

Интерфейс между газовой и механической поступательной сетями.

Тип: AcausalFoundation.Gas.Elements.TranslationalMechanicalConverter

Путь в библиотеке:

/Physical Modeling/Fundamental/Gas/Elements/Translational Mechanical Converter (G)

Описание

Блок Translational Mechanical Converter (G) представляет собой интерфейс (преобразователь) между газовой и механической поступательной сетями. Блок преобразует давление газа в механическую силу и наоборот. Его можно использовать в качестве основы для линейных газовых приводов и компрессоров.

Преобразователь содержит переменный объем газа. Давление и температура изменяются в зависимости от сжимаемости и теплоемкости газа. Параметр Mechanical orientation позволяет указать, приводит ли увеличение объема газа к положительному или отрицательному смещению порта R относительно порта C.

Порт A — газовый порт, соответствует входу преобразователя. Порт H — тепловой порт, связанный с температурой газа внутри преобразователя. Порты R и C представляют собой механические поступательные порты, соответствующие штоку и корпусу преобразователя.

Сохранение массы

Уравнение сохранения массы аналогично уравнению для блока Constant Volume Chamber (G) с дополнительным членом, связанным с изменением объема газа:

где

— частная производная массы газа по давлению при постоянной температуре и объеме;
— частная производная массы газа по температуре при постоянном давлении и объеме;
— давление газа. Давление на порту A считается равным этому давлению, ;
— температура газа. Предполагается, что температура на порту H равна этой температуре, ;
— плотность газа;
— объем газа;
— время;
— массовый расход на порту А. Расход через порт положителен, если газ втекает в блок.

Сохранение энергии

Уравнение сохранения энергии связывает расходы энергии и тепла с динамикой давления и температуры внутреннего узла, представляющего объем газа:

где

— частная производная внутренней энергии газа по давлению при постоянной температуре и объеме;
— частная производная внутренней энергии газа по температуре при постоянном давлении и объеме;
— расход энергии на порту A;
— скорость теплового потока на порту H;
— удельная энтальпия газа.

Частные производные для моделей идеального и полуидеального газа

Частные производные массы M и внутренней энергии U газа по давлению и температуре при постоянном объеме зависят от модели свойств газа. Для моделей идеального и полуидеального газа уравнения имеют следующий вид:

где

— плотность газа;
— объем газа;
— удельная энтальпия газа;
— коэффициент сжимаемости;
— универсальная газовая постоянная;
— удельная теплоемкость при постоянном давлении газа.

Частные производные для модели реального газа

Для модели реального газа частные производные массы и внутренней энергии газа по давлению и температуре при постоянном объеме равны:

где

— изотермический объемный модуль сжатия газа;
— изобарический коэффициент теплового расширения газа.

Объем газа

Объем газа зависит от смещения поршня:

где

— мертвый объем;
— перемещение поршня (газовая часть преобразователя);
— перемещение штока (механическая часть преобразователя);
— ориентация преобразователя. Если параметр Mechanical orientation установлен в значение Pressure at A causes positive displacement of R relative to C, то . Если параметр Mechanical orientation установлен в значение Pressure at A causes negative displacement of R relative to C то .

Смещение изменяется зависимости от значения параметра Mechanical orientation:

Если параметр Mechanical orientation установлен в значение Pressure at A causes positive displacement of R relative to C, смещение штока увеличивается, когда объем газа увеличивается от мертвого объема.
Если параметр Mechanical orientation установлен в значение Pressure at A causes negative displacement of R relative to C, то смещение штока уменьшается, когда объем газа увеличивается от мертвого объема.

Баланс сил

Баланс сил между подвижным штоком и объемом газа имеет следующий вид:

где

— сила, действующая в направлении от порта R к порту C;
— давление окружающей среды.

Допущения и ограничения

Корпус преобразователя абсолютно жесткий.
Сопротивление потоку между портом А и внутренней частью преобразователя отсутствует.
Тепловое сопротивление между портом H и внутренней частью преобразователя отсутствует.
Утечек газа нет.
Блок не моделирует механические эффекты, такие как жесткая остановка, трение и инерция.

Порты

Ненаправленные

# A — вход газа
газ

Details

Газовый порт, соответствует входу преобразователя.

Имя для программного использования

port

# R — шток
поступательная механика

Details

Механический поступательный порт, соответствует штоку.

Имя для программного использования

rod_flange

# H — температура внутри преобразователя
тепло

Details

Тепловой порт, связан с температурой газа внутри преобразователя.

Имя для программного использования

thermal_port

# C — корпус
поступательная механика

Details

Механический поступательный порт, соответствует корпусу преобразователя.

Имя для программного использования

case_flange

Параметры

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

Details

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

Pressure at A causes positive displacement of R relative to C — увеличение объема газа приводит к положительному смещению порта R относительно порта C.
Pressure at A causes negative displacement of R relative to C — увеличение объема газа приводит к отрицательному смещению порта R относительно порта C.

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

# Initial interface displacement — начальное смещение порта R относительно порта C
m | um | mm | cm | km | in | ft | yd | mi | nmi

Details

Начальное смещение порта R относительно порта C. Значение 0 соответствует начальному объему газа, равному Dead volume.

Зависимости

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

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

Единицы измерения	`m` \| `um` \| `mm` \| `cm` \| `km` \| `in` \| `ft` \| `yd` \| `mi` \| `nmi`
Значение по умолчанию	`0.0 m`
Имя для программного использования	`interface_displacement_start`
Вычисляемый	Да

# Interface cross-sectional area — площадь, на которую газ оказывает давление
m^2 | um^2 | mm^2 | cm^2 | km^2 | in^2 | ft^2 | yd^2 | mi^2 | ha | ac

Details

Площадь, на которую газ оказывает давление для создания усилия.

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	`piston_area`
Вычисляемый	Да

# Dead volume — объем газа при нулевом смещении штока
m^3 | um^3 | mm^3 | cm^3 | km^3 | ml | l | gal | igal | in^3 | ft^3 | yd^3 | mi^3

Details

Объем газа при смещении штока, равном 0.

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	`1e-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 в направлении, нормальном к пути потока газа.

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, заданное блоком Gas Properties (G), подключенным к сети.
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

Давление вне преобразователя, противодействующее давлению объема газа преобразователя. Значение 0 означает, что преобразователь работает в вакууме.

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	`environment_pressure`
Вычисляемый	Да

Примеры

Исследование свойств сжимаемого газа