Orifice (G)

Сужение потока в газовой сети.

Variable Orifice (G)

Orifice (G)

Описание

Блок Orifice (G) моделирует потерю давления в газовой сети из-за местного сопротивления, которым может быть сужение, отверстие или клапан, имеющего постоянную или переменную площадь проходного сечения.

Параметризация отверстия

Расчет пропускной способности местного сопротивления зависит от значения параметра Orifice parametrization:

Cv flow coefficient — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления.
Kv flow coefficient — коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления, .
Sonic conductance — акустическая проводимость в установившемся режиме определяет пропускную способность при критическом потоке — состоянии, при котором скорость потока равна местной скорости звука. Поток становится критическим, когда отношение давления на выходе к давлению на входе достигает значения, называемого критическим отношением давлений.
Orifice area — площадь отверстия определяет пропускную способность.

Характеристика отверстия

Если для параметра Orifice type установлено значение Variable, то входное значение на порту L используется в качестве управляющего сигнала степени открытия отверстия. Значение степени открытия варьируется от 0 до 1. Если указано меньшее или большее значение, то блок приравнивает значение ближайшему из двух пределов.

Преобразование управляющего сигнала в выбранную меру пропускной способности зависит от значения параметра Opening characteristic. Поток максимально ограничен, когда управляющий сигнал равен 0, и минимально ограничен, когда управляющий сигнал равен 1. В промежутке между этими значениями расход через отверстие зависит от того, является ли величина пропускной способности линейной функцией или основана на табличных данных:

Linear — величина пропускной способности пропорциональна управляющему сигналу на порту L.

Если для параметра Orifice parameterization установлено значение Sonic conductance, то критическое отношение давления Critical pressure ratio и дозвуковой показатель Subsonic index принимаются постоянными и не зависят от управляющего сигнала. Если для параметра Orifice parameterization установлено значение Cv flow coefficient или Kv flow coefficient, параметр xT pressure differential ratio factor at choked flow принимается постоянным и не зависит от управляющего сигнала.
Tabulated — величина пропускной способности вычисляется с помощью табличной функции от значения управляющего сигнала на порту L. Значения в таблице должны быть указаны в порядке возрастания.

Если для параметра Orifice parameterization установлено значение Sonic conductance, то критическое отношение давлений Critical pressure ratio является функцией управляющего сигнала, а дозвуковой показатель Subsonic index — постоянной величиной. Если для параметра Orifice parameterization установлено значение Cv flow coefficient или Kv flow coefficient, то значение параметра xT pressure differential ratio factor at choked flow является постоянной величиной.

Численное сглаживание

Если для параметра Orifice type установлено значение Variable, для параметра Opening characteristic установлено значение Linear, а для параметра Smoothing factor установлено ненулевое значение, то к управляющему сигналу с порта L применяется численное сглаживание. Сглаживание помогает поддерживать численную устойчивость симуляции.

Сохранение импульса

Параметр Orifice parameterization определяет, какие уравнения будут использованы для вычисления расхода. Если для параметра Orifice parametrization установлено значение Cv flow coefficient parameterization, то массовый расход будет определяться как

где

— коэффициент расхода;
— константа, равная 27.3 для массового расхода в кг/час, давления в бар и плотности в кг/м³;
— коэффициент расширения;
— давление на входе;
— давление на выходе;
— плотность на входе.

Коэффициент расширения определяется как

где

— отношение показателя адиабаты к 1.4;
— значение параметра xT pressure differential ratio factor at choked flow.

Когда отношение давлений превышает значение параметра Laminar flow pressure ratio, , происходит плавный переход к использованию линеаризованного уравнения

где

Когда отношение давлений падает ниже , поток становится критическим, и используется уравнение

Если для параметра Orifice parametrization установлено значение Kv flow coefficient parameterization, то блок использует те же уравнения, но заменяет на с помощью отношения . Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Orifice parametrization установлено значение Kv flow coefficient parameterization или Cv flow coefficient parameterization, приведена в [2] и [3].

Если для параметра Orifice parametrization установлено значение Sonic conductance parameterization, то массовый расход определяется как

где

— акустическая проводимость;
— критическое отношение давлений;
— значение параметра Subsonic index;
— значение параметра ISO reference temperature;
— значение параметра ISO reference density;
— температура на входе.

Когда отношение давлений опускается ниже критического отношения давлений , поток становится критическим, и используется уравнение

Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Orifice parametrization установлено значение Sonic conductance parameterization, приведена в [1].

Если для параметра Orifice parametrization установлено значение Orifice area parameterization, то массовый расход определяется как

где

— площадь отверстия или клапана;
— значение параметра Cross-sectional area at ports A and B;
— значение параметра Discharge coefficient;
— показатель адиабаты.

Когда отношение давлений падает ниже , поток становится критическим, и используется уравнение

Более подробная информация об уравнениях массового расхода, когда для параметра Orifice parametrization установлено значение Orifice area parameterization, приведена в [4].

Сохранение массы

Предполагается, что объем и масса жидкости внутри компонента очень малы, и эти значения не учитываются. Согласно принципу сохранения массы, массовый расход жидкости, поступающей через один порт, равен расходу жидкости, выходящей через другой порт:

где определяется как массовый расход, поступающий в клапан через порт, обозначенный подстрочным индексом A или B.

Сохранение энергии

Моделируемый компонент является адиабатическим. Между жидкостью и стенкой, которая ее окружает, не происходит теплообмена. Жидкость не совершает никакой работы при движении от входа к выходу. Энергия может передаваться только за счет конвекции через порты A и B. Согласно принципу сохранения энергии, сумма потоков энергии в портах всегда равна нулю:

где — это поток энергии, поступающий в клапан через порты A или B.

Допущения и ограничения

Значение Sonic conductance параметра Orifice parameterization предназначено для пневматических систем. Если этот параметр используется для газов, отличных от воздуха, то может потребоваться скорректировать значение акустической проводимости на квадратный корень из относительной плотности.
Уравнение для параметризации Orifice area обладает меньшей точностью для газов, которые далеки от идеального.
Этот блок не моделирует сверхзвуковой поток.

Порты

Ненаправленные

# A — вход или выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует входу или выходу потока.

Имя для программного использования

port_a

# B — вход или выход газа
газ

Details

Ненаправленный порт, соответствует входу или выходу потока.

Имя для программного использования

port_b

Вход

# L — степень открытия
скаляр

Details

Входной порт, определяющий степень открытия. Отверстие полностью закрыто при значении 0 и полностью открыто при значении 1.

Зависимости

Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Orifice type значение Variable.

Типы данных	`Float64`
Поддержка комплексных чисел	Нет

Параметры

Parameters

# Orifice type — возможность изменения площади проходного сечения отверстия
Constant | Variable

Details

Определяет, может ли площадь проходного сечения отверстия изменяться во время моделирования:

Variable — входной сигнал на порту L определяет степень открытия.
Constant — площадь отверстия постоянна.

Значение по умолчанию	`—`
Имя для программного использования	`type`

# Orifice parameterization — способ задания характеристики потока через отверстие
Cv flow coefficient | Kv flow coefficient | Sonic conductance | Orifice area

Details

Метод расчета массового расхода основан на:

Cv flow coefficient — коэффициенте расхода .
Kv flow coefficient — коэффициенте расхода , который определяется как .
Sonic conductance — акустической проводимости в установившемся режиме.
Orifice area — площади отверстия.

Значение по умолчанию	`Cv flow coefficient`
Имя для программного использования	`orifice_parameterization`

# Opening characteristic — вид характеристики пропускной способности
Linear | Tabulated

Details

Метод преобразования управляющего сигнала на порту L в выбранную меру пропускной способности.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable.

Значение по умолчанию	`Linear`
Имя для программного использования	`opening_characteristics`

# Cv flow coefficient — коэффициент расхода

Details

Значение постоянного коэффициента расхода . Коэффициент расхода определяет зависимость пропускной способности от перепада давления.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Constant, а для параметра Orifice parameterization – значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`4.0`
Имя для программного использования	`C_v_fixed`

# Maximum Cv flow coefficient — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Значение коэффициента расхода , когда значение управляющего сигнала на порту L равно 1, а площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, для параметра Orifice parameterization – значение Cv flow coefficient, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`4.0`
Имя для программного использования	`C_v_max`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Cv coefficient vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Cv coefficient vector.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, для параметра Opening characteristic – значение Tabulated, для параметра Orifice parameterization – значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_C_v`

# Cv flow coefficient vector — вектор значений коэффициента расхода

Details

Вектор коэффициентов расхода . Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-6, 0.8, 1.6, 2.4, 3.2, 4.0]`
Имя для программного использования	`C_v_vector`

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — критическое отношение перепада давлений

Details

Отношение между давлением на входе и давлением на выходе , определенное как , при котором поток становится критическим. Если это значение не известно, то его можно найти его в таблице 2 в ISA-75.01.01 [3]. Значение по умолчанию 0.7 подходит для многих клапанов.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Cv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имя для программного использования	`delta_p_ratio_C_v`

# Kv flow coefficient — коэффициент расхода

Details

Значение постоянного коэффициента расхода . Коэффициент расхода задает зависимость пропускной способности от перепада давления.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Constant, а для параметра Orifice parameterization – значение Kv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`3.6`
Имя для программного использования	`K_v_fixed`

# Maximum Kv flow coefficient — коэффициент расхода, соответствующий максимальной площади отверстия

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, для параметра Orifice parameterization – значение Kv flow coefficient, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`3.6`
Имя для программного использования	`K_v_max`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Kv coefficient vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Kv coefficient vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_K_v`

# Kv flow coefficient vector — вектор значений коэффициента расхода

Details

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-6, 0.72, 1.44, 2.16, 2.88, 3.6]`
Имя для программного использования	`K_v_vector`

# xT pressure differential ratio factor at choked flow — критическое отношение перепада давлений

Details

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Kv flow coefficient.

Значение по умолчанию	`0.7`
Имя для программного использования	`delta_p_ratio_K_v`

# Sonic conductance — акустическая проводимость
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Отношение массового расхода через отверстие к произведению давления на входе и плотности при стандартных условиях, определенных в ISO 8778, измеренное в момент наступления критического потока. Этот параметр определяет максимальный расход, допустимый при заданном давлении на входе.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Constant, для параметра Orifice parameterization – значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`12.0 l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_fixed`

# Critical pressure ratio — критическое отношение давлений

Details

Отношение давлений, при котором поток становится критическим, а скорость потока достигает максимума, определяемого местной скоростью звука. Отношение между давлением на выходе и давлением на входе : .

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Constant, а для параметра Orifice parameterization – значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`0.3`
Имя для программного использования	`B_critical_fixed`

# Maximum sonic conductance — акустическая проводимость, соответствующая максимальной площади отверстия
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Значение акустической проводимости, когда значение управляющего сигнала на порту L равно 1, а площадь проходного сечения отверстия максимальна.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, для параметра Orifice parameterization – значение Sonic conductance, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`12.0 l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_max`

# Critical pressure ratio — критическое отношение давлений

Details

Зависимости

Значение по умолчанию	`0.3`
Имя для программного использования	`B_critical_linear`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Sonic conductance vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Sonic conductance vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_C`

# Sonic conductance vector — вектор значений акустической проводимости
l/(bar*s) | gal/(min*psi) | m^3/(Pa*s)

Details

Вектор акустических проводимостей. Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-5, 2.4, 4.8, 7.2, 9.6, 12.0] l/(bar*s)`
Имя для программного использования	`C_vector`

# Critical pressure ratio vector — вектор значений критического отношения давлений

Details

Вектор критических отношений давлений. Критическое отношение давлений — это отношение давления на выходе к давлению на входе, при котором поток становится критическим, а скорость потока достигает максимума, определяемого местной скоростью звука. Размерность вектора соответствует размерности Opening fraction vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`0.3 * ones(6)`
Имя для программного использования	`B_critical_vector`

# Subsonic index — значение степени, используемой для расчета массового расхода в дозвуковом режиме течения

Details

Эмпирическая величина, используемая для более точного расчета массового расхода в дозвуковом режиме течения.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`0.5`
Имя для программного использования	`m`

Details

Температура в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Значения параметров эталона ISO нужно настраивать только в том случае, если используются значения акустической проводимости, полученные при отличных эталонных значениях.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`293.15 K`
Имя для программного использования	`T_reference`

# ISO reference density — эталонная плотность в соответствии с ISO 8778
g/cm^3 | kg/m^3 | lbm/gal

Details

Плотность в стандартной эталонной атмосфере в стандарте ISO 8778.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Sonic conductance.

Значение по умолчанию	`1.185 kg/m^3`
Имя для программного использования	`rho_reference`

# Orifice area — площадь отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Площадь проходного сечения отверстия.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Constant, а для параметра Orifice parameterization – значение Orifice area.

Значение по умолчанию	`1e-4 m^2`
Имя для программного использования	`fixed_restriction_area`

# Maximum orifice area — площадь проходного сечения потока, соответствующая максимальной площади отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Максимальная площадь проходного сечения потока, когда значение управляющего сигнала на порту L равно 1.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, для параметра Orifice parameterization – значение Orifice area, для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`1e-4 m^2`
Имя для программного использования	`max_restriction_area`

# Opening fraction vector — значения управляющего сигнала степени открытия

Details

Вектор значений управляющего сигнала, при которых задается мера пропускной способности Orifice area vector. Значение управляющего сигнала равно степени открытия только в диапазоне от 0 до 1.

Значения должны быть указаны в порядке возрастания. Размерность вектора соответствует размерности вектора Orifice area vector.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[0:0.2:1…]`
Имя для программного использования	`opening_fraction_vector_area`

# Orifice area vector — вектор значений площади отверстия
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Вектор площадей проходного сечения отверстия. Размерность вектора соответствует вектору Opening fraction vector. Первый элемент этого вектора — площадь утечки, а последний элемент — максимальная площадь отверстия.

Зависимости

Значение по умолчанию	`[1e-10, 0.2e-4, 0.4e-4, 0.6e-4, 0.8e-4, 1e-4] m^2`
Имя для программного использования	`restriction_area_vector`

# Discharge coefficient — коэффициент расхода

Details

Поправочный коэффициент – отношение фактического массового расхода к теоретическому массовому расходу.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice parameterization значение Orifice area.

Значение по умолчанию	`0.64`
Имя для программного использования	`C_d`

# Leakage flow fraction — соотношение расходов

Details

Отношение расхода через закрытое и через открытое отверстие.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, а для параметра Orifice parameterization – значение Orifice area.

Значение по умолчанию	`1e-6`
Имя для программного использования	`leakage_fraction`

# Smoothing factor — численный коэффициент сглаживания

Details

Коэффициент непрерывного сглаживания, который обеспечивает плавность открытия за счет поправки в характеристике отверстия в почти открытом и почти закрытом положениях.

Зависимости

Чтобы использовать этот параметр, установите для параметра Orifice type значение Variable, а для параметра Opening characteristic – значение Linear.

Значение по умолчанию	`0.01`
Имя для программного использования	`smoothing_factor`

# Laminar flow pressure ratio — отношение давлений, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами

Details

Отношение давления на выходе к давлению на входе, при котором поток переходит между ламинарным и турбулентным режимами течения.

Типичные значения варьируются от 0.995 до 0.999.

Значение по умолчанию	`0.999`
Имя для программного использования	`B_laminar`

# Cross-sectional area at ports A and B — площадь на входе или выходе
m^2 | cm^2 | ft^2 | in^2 | km^2 | mi^2 | mm^2 | um^2 | yd^2

Details

Эта площадь используется при вычислении массового расхода через порты.

Порты имеют одинаковый размер. Значение этого параметра должно соответствовать площади входного отверстия компонента, к которому подключается блок.

Значение по умолчанию	`0.01 m^2`
Имя для программного использования	`port_area`

Литература

[1] ISO 6358-3. "Pneumatic fluid power – Determination of flow-rate characteristics of components using compressible fluids – Part 3: Method for calculating steady-state flow rate characteristics of systems". 2014.

[2] IEC 60534-2-3. "Industrial-process control valves – Part 2-3: Flow capacity – Test procedures". 2015.

[3] ANSI/ISA-75.01.01. "Industrial-Process Control Valves – Part 2-1: Flow capacity – Sizing equations for fluid flow underinstalled conditions". 2012.

[4] P. Beater. Pneumatic Drives. Springer-Verlag Berlin Heidelberg. 2007.