應(yīng)用流體網(wǎng)絡(luò)理論分析燃氣動力開關(guān)控制特性的探索

鄒華杰

【摘 要】燃氣動力開關(guān)的流體動力控制特性與其熱力系統(tǒng)有很大關(guān)系。為此，根據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)思想，建立了燃氣動力開關(guān)熱力系統(tǒng)的流體網(wǎng)絡(luò)模型，并進行了仿真分析。該模型在合理假設(shè)基礎(chǔ)上，將熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)比擬為復(fù)雜直流電路，從而將基爾霍夫定律引入熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模型的計算，使其熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)計算變得簡潔、準確。結(jié)果表明：與數(shù)值模擬法相比，該相似模擬法所得結(jié)果一致，驗證了模型可靠和建模方法可行。

【關(guān)鍵詞】燃氣動力開關(guān)；熱力系統(tǒng)；流體網(wǎng)絡(luò)

The Exploration of Applying the Fluid Network Theory to Analyze the Control Feature of Gas-driven Switch

ZOU Hua-jie

（Changzhou vocational institute of mechatronic technology， Changzhou Jiangsu 213164，China）

【Abstract】The control feature of gas-driven switch has great relationship with its thermodynamic system. Therefore， the fluid network model of its thermodynamic system was established and simulated according to the fluid network theory. The fluid network of thermodynamic system in the model was compared to complex DC circuits，based on reasonable assumptions，and Kirchhoff law was introduced into the calculation of the fluid network model of thermodynamic system， that made the calculation of the fluid network model of thermodynamic system become simple and Accurate. The results showed that the similar simulation results are consistent with the numerical simulation method， which is verified that the model is reliable and the modeling method is feasible.

【Key words】Gas-driven Switch； Thermodynamic system； Fluid network； Control feature

0 緒論

如圖1所示，文獻1中所提出的燃氣動力開關(guān)，設(shè)計了流阻自動調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)，能自適應(yīng)輸入燃氣的變化，保證活塞運動穩(wěn)定，并且通過活塞運動到位，接通開關(guān)。針對燃氣動力開關(guān)流體動力控制特性的熱力系統(tǒng)，王暉從數(shù)值計算的角度出發(fā)，建立了該開關(guān)的復(fù)雜氣體動力學數(shù)學模型，并通過計算求解方程組的方法對開關(guān)的流體動力控制特性進行了分析[1]。由于數(shù)值模擬法涉及到較多而又復(fù)雜的數(shù)學方程，會給數(shù)值計算過程帶來一定的困難。本文擬應(yīng)用流體網(wǎng)絡(luò)理論，建立計算簡潔、準確的燃氣動力開關(guān)熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模型，為靈活進行各種工況下的開關(guān)流體動力控制特性分析打下基礎(chǔ)。

圖1 燃氣動力開關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖

流體網(wǎng)絡(luò)理論是由研究管內(nèi)流體傳輸與瞬變而發(fā)展起來的一門應(yīng)用科學。它可以用來分析發(fā)生在工業(yè)動力裝置、控制測量裝置和生物醫(yī)學工程等各種流體管路系統(tǒng)中功率和信息的傳輸過程， 以及由于擾動引起的各種流體瞬變現(xiàn)象。它主要涉及兩個學科的內(nèi)容：一是流體力學，二是電氣網(wǎng)絡(luò)和傳輸線理論[2]。

流體網(wǎng)絡(luò)-電相似法遵循從流體力學方程出發(fā)，推導(dǎo)出流體網(wǎng)絡(luò)中每個元件和管路與電氣網(wǎng)絡(luò)中相對應(yīng)的等值數(shù)學模型，從而建立起流體網(wǎng)絡(luò)的等效線路，最后用網(wǎng)絡(luò)分析的方法得到各個節(jié)點上壓力和流量的瞬態(tài)特性[3]。本文正式基于這一思想，建立燃氣動力開關(guān)熱力系統(tǒng)的等值數(shù)學模型，再應(yīng)用基爾霍夫定律，建立該電路模型的數(shù)學模型，最后通過數(shù)學模型求解，對開關(guān)的流體動力控制特性進行仿真分析。且與數(shù)值計算法進行比較，驗證模型可靠和建模方法可行。

1 流體網(wǎng)絡(luò)原理與燃氣動力開關(guān)等效模型

1.1 流體網(wǎng)絡(luò)原理

流體動力控制問題可抽象概括為壓力（P）、流量（Q）兩個變量與流阻（R）、流容（C）、流感（L）三個參量之間的關(guān)系問題。弄清它們之間相互聯(lián)系、相互制約的內(nèi)在規(guī)律后，就能揭示流體動力控制系統(tǒng)所固有的、決定其性質(zhì)的根本屬性。這就為建立簡潔、正確的數(shù)學模型打下了基礎(chǔ)，也為把機、電、液系統(tǒng)統(tǒng)一起來進行綜合研究提供了理論依據(jù)。

1.1.1 流阻

流阻與電子線路的電阻相似，它可以改變流體的流量，而在它兩端產(chǎn)生壓力降。在流體呈層流狀態(tài)時，流阻的大小與兩端的壓降成正比，與流過的流量成反比，可表示為：

1.1.2 流容

在一個包含可壓縮流的系統(tǒng)中，任何體積一定的容器都具有與它相聯(lián)系的流體容量。容器內(nèi)壓力的變化會引起其中流體質(zhì)量的變化，容器內(nèi)流體質(zhì)量隨壓力的升高而增加，即容器內(nèi)將產(chǎn)生質(zhì)量的積聚。

流容就可定義為流體質(zhì)量變化與引起它變化的壓力變化之比值，即：

1.1.3 流感

在流體網(wǎng)絡(luò)中，任何發(fā)生高速瞬態(tài)流動的地方，由于流體慣性使流體質(zhì)量加速或減速而引起壓力變化。我們把流感定義為管段兩端引起的壓力變化與流量變化率之比，即：

1.2 燃氣動力開關(guān)等效模型

2 等效電路模型求解

根據(jù)等效電路模型有關(guān)的系統(tǒng)對應(yīng)參量[4]，燃氣動力開關(guān)等效電路模型如圖3所示。

3 模型驗證

對以上模型求解，將獲得燃氣動力開關(guān)工況下的壓力分布數(shù)據(jù)。本文對高溫環(huán)境工況下進行了計算，并將計算結(jié)果與文獻1中的數(shù)據(jù)進行對比。

由于在活塞運動階段輸入的燃氣壓力隨時間變化的曲線如圖5所示。其數(shù)學表達式近似為P（t）=21+18t，經(jīng)過拉氏變換后為P（s）= + ，即傳遞函數(shù)的輸入為Xi（s）= + ，則其輸出為Xo（s）= + 。最后我們將輸出進行反拉氏變換即得到了輸出XO（s）關(guān)于時間t的關(guān)系式xo（t）。

由于在活塞運動的整個過程中，R1、R2、C1、C2的值是不斷變化的，從而系統(tǒng)的傳遞函數(shù)是不斷變化的。在對輸出XO（s）進行反拉氏變換時，可以考慮將R1、R2、C1、C2離散后得到某一時刻的特定值，分別分析這些時刻時的輸出值xo（t），最后將分析得到的這些時刻時的輸出值xo（t）綜合起來即得到了活塞運動整個過程的系統(tǒng)輸出xo（t），如圖7所示（實線為計算值，虛線為文獻1數(shù)據(jù)）。

圖6 輸出燃氣壓力曲線

由圖6可知，在活塞運動的整個過程中，輸出燃氣壓力介于6.4MPa和6.55MPa之間，其相對差為2.3%，這個值很小，說明輸出的燃氣壓力變化很小，即在活塞運動的整個過程中，活塞底部受到的壓力基本上沒有變化，從而保證了活塞運動的穩(wěn)定性，進而保證了開關(guān)接電的安全性和可靠性。計算結(jié)果與文獻1數(shù)據(jù)相比，曲線趨勢是一致的，數(shù)值相差0.3MPa以內(nèi)，相對誤差在5%內(nèi)，驗證了模型可靠和建模方法可行。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)原理，建立了燃氣動力開關(guān)流體網(wǎng)絡(luò)模型，并進行了仿真計算，與相關(guān)文獻數(shù)據(jù)進行比較后的結(jié)果驗證了本文所建立模型可靠和建模方法可行。

【參考文獻】

[1]王暉，陳荷娟.彈底引信燃氣動力保險開關(guān)的啟動特性[J].系統(tǒng)仿真學報，2007，19（21）：4871-4873.

[2]羅志昌.流體網(wǎng)絡(luò)理論[M].北京：機械工業(yè)出版社，1988.

[3]宋東輝，李少華.應(yīng)用流體網(wǎng)絡(luò)理論求解熱力系統(tǒng)流體網(wǎng)絡(luò)模型的探索[J].汽輪機技術(shù)，2016，58（2）：95-100.

[4]劉陽，孫沖，崔展鵬，崔妍.航天工程中串聯(lián)密封系統(tǒng)建模與仿真[J].系統(tǒng)仿真學報，2005，17（7）：1604-1608.

[責任編輯：朱麗娜]