Pipe_CIR- CIR型管道

1)        模型路径

TYPneumatics.Pipes.Pipe_CIR

2)        图标设计

CIR型管路图标

3)        功能描述

CIR型管路是一种考虑压缩效应、摩擦效应及惯性的热交换气动管道模型，该模型考虑了气体的可压缩性、管道壁在压力下的膨胀、摩擦效应及流动状态的惯性影响，能够很好的表示管路或者软管的动力学。该模型除了设置管道内径，长度等基本参数，同时设置了可选择的外部热接口及热特性参数，以此来模拟管道中的热交换过程。其中热交换模式有两种，一种为简单的热交换模型，利用热特性参数进行热交换调整；另一种为多项性方法，它需要通过设置气体的多变系数来进行热交换调整，在该情况下，温度及压力不再是独立的变量。并基于雷诺数和相对粗糙度的摩擦系数来考虑管道的摩擦，同时考虑惯性影响。

通过阀的气体的种类以及气体建模的复杂程度可以通过参数进行选择。

4)        基本假设

        考虑压缩效应及摩擦效应；

        考虑热交换；

        适用于马赫数较低，即气体速度<0.3倍声速的场景。

5)        模型接口

接口	变量	范围/单位	数据维度	数据类型	描述
port_A	p	bar	[1]	Real	接口压力
	m_flow	kg/s	[1]	Real	接口质量流量
	H_flow	W	[1]	Real	接口焓流
	T	degC	[1]	Real	接口温度
port_B	p	bar	[1]	Real	接口压力
	m_flow	kg/s	[1]	Real	接口质量流量
	H_flow	W	[1]	Real	接口焓流
	T	degC	[1]	Real	接口温度
heat_a	Q_flow	W	[1]	Real	接口热流
	T	degC	[1]	Real	接口温度

6)        模型参数

tab参数	group参数	参数名称	默认值	单位	参数描述
常规	介质选择	GasType	Air_空气	/	气体种类选择
		Medium	半理想气体	/	气体模型选择
	模式选择	Model	"Thermal Exchange Model"	/	模型选择
	基本参数	D	10	mm	管道内径
		length	1	m	管道长度
	Polytropic 模式参数	k	1.35	-	气体多变指数
	摩擦参数	rr	1e-5	-	管壁相对粗糙度=绝对粗糙度/管道水力直径
热特性参数	模式参数	useHeatPort	false	/	=true, 热接口可用，接外部热源
	热特性参数	kth	0	W/(m2.K)	热交换系数
		Text	20	degC	外部温度
初始化	参数	pin.start	0	bar	管道内压力
		Tin.start	20	degC	管道内温度

7)        模型变量

变量类型	变量名称	单位	类型	描述
结果变量	pA	bar	Real	端口A的表压
	pB	bar	Real	端口B的表压
	pA_abs	bar	Real	端口A的绝对压力
	pB_abs	bar	Real	端口B的绝对压力
	T_A	degC	Real	端口A的温度
	T_B	degC	Real	端口B的温度
	m_flow_A	kg/s	Real	A口质量流量
	H_flow_A	W	Real	A口焓流
	m_flow_B	kg/s	Real	B口质量流量
	H_flow_B	W	Real	B口焓流
	pin	bar	Real	管道内压力
	Tin	degC	Real	管道内温度
	ff	-	Real	摩擦系数
	heatFlow	W	Real	热流
	Tout	degC	Real	外部温度

8)        参数设置

1)        管路中温度和流量的计算模式通过参数“Model”进行选择，采用“Thermal Exchange Model”模式则通过平衡方程进行计算，采用“Polytropic Model”模式则通过气体多变指数k进行计算，其中气体多变指数k大于0；

2)        当选择“Thermal Exchange Model”模式计算管道内的温度和压力时，可以选择与外部进行热量交换的方式，可以通过参数“useHeatPort”选择是否通过热接口与外部进行热量交换；

3)        相对粗糙度rr的计算方式为凹凸不平的平均高度与管径的比值。

9)        模型原理

CR型管路同时考虑管路热交换的压缩性和摩擦效应。管路的热交换有两种方式进行，一种是简单的多向性模型，是基于热力学第一定律的一般内能模型的简化形式，另一种是考虑与外部环境的热交换；管路考虑摩擦对流量的影响是通过摩擦系数的值来体现的，摩擦系数由雷诺数和相对粗糙度来进行插值得到，而后参与流量数的计算。

1)        多向性方法是通过多向性常数k表示热交换现象，为了模型的复杂度或缺乏热交换数据，定义多变性假设的简单模型：

①      对于理想气体，压力和温度之间有如下关系：

 

②      压力和温度的计算表达式如下：

2)        考虑与外部环境的热交换的质量平衡方程如下所示:

当容腔体积不发生变化时可写为：

管路容积计算式为：

3)        能量平衡方程如下所示，等式右侧的能量分别为净焓流量、气体压缩产生的热量和通过接口或表面积与外界交换的热量。

4)        当容腔通过外表面与外界环境进行换热时，换热量计算式如下：

其中表面积计算式为

5)        管路中考虑惯性效应和摩擦阻力影响的质量流量计算式如下：

6)        管路中气体的平均流速计算式为：

7)        管路通流面积计算式：

8)        雷诺数计算式：

9)        摩擦系数与雷诺数相关，当雷诺数小于2500时摩擦系数计算式为：

当雷诺数大于2500时的摩擦系数由相对粗糙度和雷诺数插值得到

10)   焓流的计算方式如下

式中，

k	气体多变指数
r	气体常数
	密度
h	比焓
m	气体质量
	外部换热量
D	管路直径
length	管路长度
area	换热面积
A	通流面积
	换热系数
S	换热面积
	外界环境温度
	工作温度
D	管道内径
ff	摩擦系数
	定压比热

10)    参考文献

[1] R.C. Binder, “Fluid Mechanics”. 3rd Edition, 3rd Printing. Prentice-Hall, Inc., Englewood Cliffs, NJ. 1956