Моделирование течения жидкости в трубе. Simscape Fluids.

Модель содержит трубу и два сенсора — для перепада давления на трубе и расхода. Входной сигнал меняется линейно. С изменением сигнала меняется число оборотов ротора насоса, а значит и подача (расход).

Расчет потерь на трение ведется по уравнению Дарси-Вейсбаха. Согласно данному уравнению, потери пропорциональны т.н. коэффициенту потерь на трение f, в отечественной литературе чаще используется обозначение \lambda.

Коэффициент потерь на трение может быть вычислен в зависимости от режима (ламинарный/турбулентный). В ламинарном режиме все просто, коэффициент определяется уравнением Пуазейля f=\frac{64}{Re}. Оно аналитически выводится. С турбулентным посложнее. Теоретически, коэффициент удовлетворяет уравнению Кольбрука-Уайта (не знаю, откуда пошло, чтобы писать с мягким знаком, посмотрел лекции на YouTube — Колбрук). Проблема в том, что коэффициент потерь f входит в это уравнение нелинейно и неявно, то есть, с двух сторон от знака равенства, поэтому для практических выкладок такое уравнение подходит слабо, ведь оно требует итераций при расчетах. Вместо уравнения Кольбрука-Уайта пользуются аппроксимациями, выражающими коэффициент явно. На странице Википедии, посвященной коэффициенту трения, перечислено полтора десятка аппроксимаций. Одна из аппроксимаций называется аппроксимацией Хааланда.

Модель блока Hydraulic Resistive Tube, входящего в пакет Simscape Fluids, работает в соответствии с данной аппроксиммацией в случае, если поток турбулентный. Если посмотреть справку по этому блоку, то в кусочной функции, описывающей величину f, третье уравнение — это аппроксимация Хааланда (турбулентный режим). Первое уравнение — формула Пуазейля (ламинарный режим). Второе уравнение определяет то, как вычисляется коэффициент трения в переходном режиме, между ламинарным и турбулентным. Как правило, трубопроводы по расходу проектируют так, чтобы не попасть в переходный режим.

Блок Hydraulic Resistive Tube таким образом, вполне законно требует два характерных числа Рейнольдса. Первое, это число Рейнольдса Re_{L} при котором поток «пока ещё» точно ламинарный, и второе Re_{T}, при котором поток «уже точно» турбулентный. По умолчанию, первое число равно 2000, а второе равно 4000. Между ними поток переходный.

Схема для моделирования потерь при движении жидкости в трубе. Труба Hydraulic Resistive Tube выделена оранжевым цветом. Внутренний диаметр 6 мм.

Несколько слов о схеме. Блок Repeating Sequence используется для подачи линейного сигнала, чтобы менять подачу насоса. Сигнал, конечно, не повторяется. Просто первая точка имеет координаты 0;0, а вторая 10;7000. Время симуляции как раз — 10 секунд, в них укладывается ровно один, первый, повтор. Таким образом, подача насоса Q, равная расходу по трубе, меняется с 0 до 30 л/мин. Верхний предел вряд ли имеет практическое применение в реальной системе из 6мм труб, его смысл показать все три области вычисления коэффициента потерь на трение.

Для получения давления и расхода в схему включены два сенсора. С выхода сенсора объемного расхода, после преобразования сигнал пересчитывается блоком Gain в фактическое число Рейнольдса Re.

Давление, создаваемое сопротивлением трубы относительно Hydraulic Reference и есть потери на трение в трубе dP.

Все три сигнала: давление, расход и число Рейнольдса поступают для отображения на Scope.

Падение давления на трение потока в трубе, расход и число Рейнольдса (на осях ординат). По горизонтали — время. Заметны изменения закона падения давления в местах перехода фактическим числом Рейнольдса предельных значений (2000 и 4000), заданных для зон в настройках блока трубы.

PipeFlowLoss.slx

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.