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2.1 流体网络分支动力学分析

首先,把流体看作是不可压缩的,所有分支的温度是相同的。流体在管网中的流动属于一维流动,假设管网的横截面面积、横截面周长不随流体网络分支的长度发生变化。

2.1.1 连续方程

根据流体力学理论可知,流体微分形式的欧拉型连续方程为:

式中,S为管网断面积; ρ 为流体密度;V为流体流速;t为时间;L为管网长度。

因为流体网络内流体被看作是不可压缩的,即 ρ 是不随时间变化的常数,所以:

ρ V s =Q m =const,Q m 为流体质量流量。

如果流体的密度相等,则有:

式中,Q为流体体积流量。

式(2-2)和式(2-3)为流体流动连续方程,它说明了在同一时刻流体通过管网横截面的质量或流体流量相等。

2.1.2 运动方程

选择一段体积为 、表面积为 的流体管路(流体流动方向的横截面是管网横截面)作为系统。系统流体流动的动量 对于时间的变化率等于外界作用在该系统上的合力。系统所受的力包括质量力 、系统表面所受的应力 。系统动量方程的拉格朗日积分形式为:

式中, 为质点导数,设 φ 为任意物理量,则 的表达式如下:

为哈密尔顿算子,对于一维流动, ,其中e L 为流体流动方向的单位矢量;V为流体流动速度矢量, 为单位质量的质量力,在重力场中质量力有势 ,u为势函数。对于一维流动u=gz,z是管网直径,g是重力加速度,其余符号意义同前。

根据输运公式:

式中, n 为控制体表面的法线方向; τ 、A分别为控制体体积和表面积。

可把拉格朗日型系统的动量方程化为欧拉型控制体方程,即:

其中:

式中,p为表面应力P n 的数值大小;P为应力张量。

对于一维的、不可压缩的、具有黏性的流体,有:

式中, σ n 为流体的切向应力,即流体与管网壁的摩擦应力, σ n =- σ n e L

把式(2-8)和式(2-9)代入式(2-7)得:

即:

如果物理量及其一阶导数连续,则由于被积函数的连续性及积分区间的任意性,欲使上式成立,要求被积函数处处为零,即:

又因为

因为( V × Ω )⊥ e ,所以

综合式(2-12)、式(2-13)、式(2-14),得:

用管网流量的微元弧长dL与式(2-15)进行标量积,考虑到V=V· ,Q=VS,有:

设流体从横截面1向横截面2流动,对式(2-16)在断面1、2之间积分,考虑到流量Q与管网长度无关,则有:

式中,L为管网横截面1、2之间的总长度;z 1 ,z 2 分别为横截面1、2处的管网直径; 分别为管网横截面1、2处的流体速度;p 1 ,p 2 分别为管网横截面1、2处的流体静压; 为平均单位长度管网流体的摩擦阻力值。摩擦阻力 与流量的n次方成正比,即:

其中, 为管网摩擦阻力系数,n取1~2之间的值。

考虑到管网的局部阻力系数 ,则流体的总阻力系数为:

因此式(2-17)可写成如下形式:

式(2-20)等号右边即为流体所克服的阻力,令

则流体阻力计算公式为:

即管网流体的运动方程。

因为流量Q仅是时间t的函数,所以式(2-22)可写成:

考虑到流体网络控制建模的状态空间表达式,式(2-23)可写为:

式中, Q j 是通过分支j的流体流量; 是流体动力阻力, 是分支j的流体阻力,l j 是分支j的长度; 是分支j的压降, 为分支末端的压力, 为分支始端的压力; 是阻力系数,S j 是分支j的横截面的面积, ρ 是流体浓度; 并且n为流体分支数。 MLdh0LqFW/y+OD0XL0nQXc2nBXM9m7PLzdBXJfcrGKJGZo6BVydmqyVNaSc4Uz8c

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