SimulationX 热学系统

SimulationX 热学系统 1. 绪论 2. 材料特性 3. 热学接接及元件 4. 热流 连接及元件 应用领域 流与势 概念 & 基本假设 特征 & 库结构 2. 材料特性 概念 数据库 3. 热学接接及元件 流与势 温度的计算 材料选择 & 用户自定义材料 4. 热流 连接及元件 流与势 压力与温度的计算 流体选择 用户自定义 Les bibliothèques de modèles sont organisées au sein de 2 entités principales : Les Domaines : On y trouve la définition des ports et la résolution des équations de bilan (connections) associées à un domaine de la physique Ils sont dotés d’une base de données de fluides et ont la capacité d’en calculer les propriétés. Les Librairies : On y trouve la définition de modèles physiques élémentaires (éléments) Elles sont généralement rattachées à un domaine principal. Elles peuvent cependant faire appel à plusieurs domaines si des éléments utilisent des ports de différentes natures. Les classes de base assurent les fonctions suivantes Les Ports : Sont attachés à un domaine physique spécifique (mécanique, thermo-fluide…) Modélisent les liens physiques entre les différents éléments qui constituent un modèle Sont des liens bi-directionnels à travers lesquels s’échangent les variables du système Les Connections : Sont attachées à un domaine physique spécifique (mécanique, thermo-fluide…) Calculent les variables d’état du système et les propriétés du fluide Communiquent avec les éléments à travers les ports Représentent les nœuds du système Les Éléments : Sont attachés à une librairie spécifique Sont la représentation mathématique d’un phénomène physique

1 概述 Les bibliothèques de modèles sont organisées au sein de 2 entités principales : Les Domaines : On y trouve la définition des ports et la résolution des équations de bilan (connections) associées à un domaine de la physique Ils sont dotés d’une base de données de fluides et ont la capacité d’en calculer les propriétés. Les Librairies : On y trouve la définition de modèles physiques élémentaires (éléments) Elles sont généralement rattachées à un domaine principal. Elles peuvent cependant faire appel à plusieurs domaines si des éléments utilisent des ports de différentes natures. Les classes de base assurent les fonctions suivantes Les Ports : Sont attachés à un domaine physique spécifique (mécanique, thermo-fluide…) Modélisent les liens physiques entre les différents éléments qui constituent un modèle Sont des liens bi-directionnels à travers lesquels s’échangent les variables du système Les Connections : Sont attachées à un domaine physique spécifique (mécanique, thermo-fluide…) Calculent les variables d’état du système et les propriétés du fluide Communiquent avec les éléments à travers les ports Représentent les nœuds du système Les Éléments : Sont attachés à une librairie spécifique Sont la représentation mathématique d’un phénomène physique

应用领域 一般应用领域: 涉及下面两种情况的，热系统与热流系统及组件的动力学特性建模与仿真 1. 热传导 2. 流体传递的热量及质量转换 汽车部分 (发动机冷却) 空调系统 动力工程 技术建筑设备 冷却设备 燃料电池 …

建模概念 根据原理图，在图形交互的方式下进行建模。 模型由 元件与连接 组成。 连接是网络的节点. 它们计算热动力势，不是管，弯曲，交叉等的模型。 元件必须从库中选择，它们用来计算流。

基本的假设 热学库 系统由集中元件组成，这些元件可采用如Q = f(dT)的函数与方程来描述. 系统中的热流假定为 1维的. 对受热阻力的热流的描述，假定热流是稳态的. 温度是在系统的节点（连接）处进行计算的，因此需要求解考虑所有热流量的一个平衡方程. 使用了大量对流元件、允许多种对流边界情况。 Conséquences de la conception objet : Le développement de nouveaux composants ne comprend que le travail d’extension des objets existants (assemblage, ajout de paramètres, ajout de résultats…)  Temps de développement optimisé  Capitalisation / Réutilisation de la connaissance Les nouveaux composants (et les modèles utilisant ces nouveaux composants) bénéficient de toutes les évolutions sur les éléments de base  Maintenance des outils métiers facilitée

基本的假定 热-流库 该系统由集中元件组成, 这些元件可通过形式如： 的函数及方程来描述。 系统中的流动假定为一维的。 对于由于摩擦引起的压力损失, 流动假定为稳态的。 温度在系统节点 (连接)处进行计算。因此需要求解热动力学的第一定律。 压力在系统节点 (连接)处进行计算。节点处的动能被忽略， 也就是说，静压力等于总压力 (按照定义, 只与热流系统有关)。 Conséquences de la conception objet : Le développement de nouveaux composants ne comprend que le travail d’extension des objets existants (assemblage, ajout de paramètres, ajout de résultats…)  Temps de développement optimisé  Capitalisation / Réutilisation de la connaissance Les nouveaux composants (et les modèles utilisant ces nouveaux composants) bénéficient de toutes les évolutions sur les éléments de base  Maintenance des outils métiers facilitée

库结构 热学元件 热流元件 连接 通过Typerdesigner可创建其它的元件 理想元件 (温度源, 热流源) 几何元件 (热容) 热阻元件 对流元件 热流元件 理想元件 (压力源, 流动源) 几何元件 (体积 ) 阻抗元件 (节流阀) 热交换元件 连接 T-连接90° 附属件(弯管, 肘形连接管,…) 通过Typerdesigner可创建其它的元件 SimulationX permet de gérer de façon transparente pour l’utilisateur les différents niveau d’une conception de modèles orientée objet

一般概念 热流连接 计算压力，温度，蒸汽质量及混合物中气体的质量分数。 所有的压力为绝对压力。 通常使用定义好的总体变量 pAtm 及TAtm。

2 材料特性 Le fluide est choisi dans la connection Le fluide est automatiquement propagé dans tout le circuit

一般概念 热学: 所有的材料特性在元件 内计算或定义: 他们可通过用户化、查表、或内置的数据库给定。数据库材料特性形式为 y = f(T)。 热流:作为压力、温度和/或蒸汽量、或混合气体中的质量百分比的函数，所有的流体属性都在 连接 中进行计算。元件 通过端口从连接 中读取流体属性。流体属性具有如下形式： (v, h, s, …) = f(p, T , x).

一般概念 热学库 热容 元素 固体传导 固-固 接触 辐射 对流元件 当使用依赖于温度的数据库时，还要进行材料属性的计算

一般概念 热流库: 流体 流体属性的计算依赖某一流体类型. 流体类型 可在连接 中进行选择 。传播的概念 确保了在一个回路 中采用相同的流体类型。 一个模型 可包含多个具有不同流体类型 的不同回路.

一般概念 热流库：流体 流体数据库 标准流体以类分组 每一类通过一系列带标准系数的方程来定义 一个类中的每个流体实例都有一系列给定的系数 了解对应的系数系列, 用户可以在类中添加新的流体 简单流体 单相的流体系统 实例 : 水, 油, 燃料 理想气体 单相的气体 实例 : 空气, 氮气, 氧气, 二氧化碳, 气体混合物 每一成分的质量分数可变的系统 二级的制冷剂 水 + 用户自定义的添加剂的部分 实例 : 水 + 乙烯基-乙二醇, 甘油, 氨水, ... 制冷剂 NIST 数据库 (i.e. R134a, R290, CO2, …) 特殊流体 H20-蒸汽 和水 湿空气

3 热学连接及元件

概述,属性 热接线可被看作 一个单一的 控制体积或理想的热容 聚集了所有连接元件的热容，并将其作为单一热容 通过热学接口 连接元件 连接将温度 写给端口 元件将热流量写给端口 Element Connection

热学端口变量 连接计算 势: 温度: T 元件计算 流: 热流量 : P 这些量 必须写入 用户自定义类型的方程式或算法部分 Element Connection 这些量 必须写入 用户自定义类型的方程式或算法部分

温度的计算 热学连接被默认为一个控制热容. 运用能量守恒定律来计算温度: 能量守恒: Ri C Ri+1

元件 热学库 大部分的标准几何参数适合热传递的每种类型 基本元件库 传导 固体传导 固-固接触 对流 基本元件 温度源 热源 热容 热阻抗 传感器 内部自然对流 基本元件库 外部自然对流 内部强迫对流 外部强迫对流 辐射 固 – 固

对流换热 与流体接触的双层壁的稳态温度分配 l1 l2 Th,αh Tc,αc λ1 λ2 对流问题相似数: 强迫对流: 自然对流: 内部自然对流 外部自然对流 外部强迫对流 内部强迫对流 l1 l2 Th,αh Tc,αc λ1 λ2 对流问题相似数: 强迫对流: 自然对流: 大量的 Nu-数量-相关性设定, 既容易理解也容易确定, 在 SimulationX 中是通过考虑大量的的几何及流体结构来执行的。

实例 辐射 动力学对话框 材料数据库

实例1 计算平均能量损失

实例1 自然对流冷却

4 热流连接及元件

概述，属性 热流连接 可被看作单一的 控制容积 聚集了所有连接元元件的容积，并将此看作单一的容积 通过热流端口 与元件连接 连接 将压力 和 温度 写给端口 元件 将质量，热函 和 热流量 写给端口 Element Connection

热流端口变量 连接计算 势: 压力: p 温度: T 具体的焓: h 混合物的质量合成向量: comp 蒸汽质量: x 水容: w Element Connection 连接计算 势: 压力: p 温度: T 具体的焓: h 混合物的质量合成向量: comp 蒸汽质量: x 水容: w 流体属性: 热容 (常压下): cp 热容 (常容积下): cv 体积: v 运动粘度: mu …

热流端口变量 元件计算 流: 质量流量: Qm 质量流的焓: hf 热流量 : phi 质量流量的组成: compFlow 水质量流量: Qw (for wet air only) 附加量: 体积: V 流量的方向: 正的, 如果他们依据元素给定的箭头方向排列 负的， 其它 Element Connection 这些量必须写入用户自定义类型的方程或运算法则部分!

压力与温度的计算 热流连接被认为一个单一的控制体积。使用质量与能量守恒定律 来计算状态变量温度和压力 : 总体积： 质量守恒： 能量守恒:

元件 热流库 由于大量的基本元件,可解决大量的物理现象. 可以开发或从这些元件中导出更多的特殊元件。 基本元件库 机械变压器 表面 动力学作用 变压器 体积作用 热交换器 单相热交换器 冷凝器 蒸发器 由于大量的基本元件,可解决大量的物理现象. 可以开发或从这些元件中导出更多的特殊元件。 特殊元件 流体与气体接口 相离析器 基本元件库 通用元件 压力 / 温度源 流动源 节流孔 体积 水力惯量 管路 (装置) T-连接 90°, 转变 , 弯管,肘, 孔 相分离器 传感器 状态量传感器 流动量传感器

热流阻抗 节流阀: 通常，阻抗元件具有许多详细的压力下降-容积流或者Re – ζ 或者压力下降 – k的相互关系. 管路 (装置) T-连接 90°, 转换连接管, 弯管,肘形连接管, 孔 常规元素 压力降 特殊的阻抗如 T-连接, 肘等.: 经验公式来自Idelchik “热阻抗手册”和其它资料.

热交换器 原理: 具有不同温度的两种隔离的流体流动是热耦合的。 T T Th Tc Th Tc x x 单相热交换器 冷凝器 蒸发器 T T Th Tc Th Tc x x 问题: 在1维系统仿真中， (集中的) 模型将不能考虑变化的温度分配 求解: NTU-方法的利用 → 分析解, 基于稳态的守恒方程: 和:

实例 热交换器 热交换器模型包含一系列的元件级模型，用于建立许多通用设置的系统模型。

实例 热交换器 2 热交换器的计算基于多达 5 个 的基本步骤: 用户可在大量的流动设置中进行选择。 Specification of Calculation of Heat power Effectiveness Flow configuration and global heat transfer coefficient Geometric coefficients and flow configuration Mass flow and inlet fluid properties on either side X x global heat transfer coefficient effectiveness maximum heat power actual heat power 用户可在大量的流动设置中进行选择。

实例 热交换器 3 湍流的计算 基于入口与出口处的压降。 总热量传递系数的计算是基于对流类型及几何特性设置的。

两相热交换 流体及纯蒸汽的T-v图. 来源: Erich Hahne “Technische Thermodynamik”, Addison-Wesley, p. 239 两相热交换器 冷凝器 蒸发器 也可使用NTU方法 在两相区域T = TSat 、h 、 u (各自的焓 及 各自的内能) 和 x (蒸发量) 变成状态量 → 在两相区域内的状态转化

实例 3 热交换器

实例 4 三相热交换

应用:发动机冷却回路 多流体系统 容易修改回路 (结构对比…)

应用:发动机冷却回路 多流体系统 容易修改回路 (结构对比…)

应用:制冷环 应用: - 控制 - 零件及组件的尺寸 优化 功能结构的确认