一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法和系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法和系统，本发明专利技术在离心风机、管网、阀门等部件留出了对应的特征参数接口，用户们可根据实际背景设置离心风机、管网、阀门等仿真模块的特征参数，并根据实际离心风机系统的连接情况搭建动态仿真模型，具有一定通用性。随着对各型号离心风机性能曲线的完善，可应用本方法在动态仿真系统中建立常见通风机、鼓风机、压缩机及阀门、管网的模块库。在工程中，用户可根据设计需求完成离心风机选型与通风系统设计，通过对比、分析动态仿真结果确定工程实施方案。定工程实施方案。定工程实施方案。

【技术实现步骤摘要】
一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法和系统


[0001]本专利技术属于气体离心风机系统领域，具体涉及一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法和系统。

技术介绍

[0002]离心风机是一种通过重要的旋转机械，石油、化工、航空、冶金、国防、能源等领域扮演重要角色。其原理具体为：工质气体经其叶轮加速升温，由扩压器升压后进入下游设备。按照其压升能力强弱可分为通风机、鼓风机和压缩机。工程上，离心风机通常与管网、阀门组合成离心风机系统使用。离心风机作为系统的核心，对气体工质做功，在管网和阀门的配合下实现工质压缩、运输与分配，进而满足各领域的工艺需求。
[0003]在离心风机系统的设计与使用中，通常期望以更小的能耗、更高的效率，达到目标压力、流量和温度。对于特定条件下离心风机系统的设计与优化，现有的系统缺乏通用性，尤其是缺乏对离心风机系统动态特性的表征，而试验研究的成本高，耗时久，周期长，通常也不是系统设计的首选。随着计算机技术的发展，高精度、低成本的仿真技术逐渐在工程领域发挥作用。因此，获得一种准确、高效、通用的离心风机系统动态仿真方法对离心风机系统的设计与使用具有重要意义。
[0004]离心风机系统是一种复杂非线性热力学系统，当离心风机、管网、阀门构成庞大的非线性热力系统时，部件耦合使系统内部传热传质变得复杂，使参数动态传递与方程解耦变得困难。许多学者对离心风机、管网、阀门做了一些研究，但缺少关于离心风机系统整体建模的动态仿真研究，尤其缺乏深入的部件机理仿真研究和系统动态仿真方法研究。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法和系统，以获得一种仿真精度高、运算效率高、通用性强的离心风机系统动态仿真方法，进而满足离心风机系统设计与使用时对动态仿真方法的需求、克服复杂热力系统动态仿真的难点。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：
[0007]一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，包括以下步骤：
[0008]步骤1，在MATLAB系统中建立离心风机系统的动态特性数学模型，所述离心风机系统包括离心风机、管网和阀门；
[0009]具体的，根据离心风机的Greitzer模型，离心风机的质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程，获得离心风机的动态特性数学模型；根据管网的容腔模型、动量方程和能量守恒方程，获得管网的动态特性数学模型；根据伯努利方程与阀门的通流特性，获得阀门的动态特性数学模型；
[0010]步骤2，根据离心风机、管网和阀门的特性数学模型，获得两两相邻部件之间压力、流量和温度的动态传递关系，所述两两相邻部件为离心风机和管网，以及管网和阀门。
[0011]步骤3，确定目标仿真离心风机系统的特征；
[0012]步骤4，基于步骤2获得的离心风机、管网、阀门之间的压力、流量和温度的动态传递关系，以及步骤3获得的仿真离心风机系统的特征，通过MATLAB软件搭建目标离心风机系统的动态仿真模型；其中离心风机、阀门为流量输出模块，管网为压力输出模块，流量输出模块和压力输出模块交替出现，实现压力、流量、温度的动态仿真；
[0013]步骤5，对离心风机系统进行仿真。
[0014]2.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤1中，所述离心风机的动态特性数学模型为：
[0015][0016][0017][0018]式中a
01
为离心风机入口音速；p
in
，T
in
，m
in
为进口压力、温度和质量流量；Ψ为离心风机的无量纲性能曲线；p
p
为等效容腔的平均压力；V
p
为等效容积；N为转速；L
c
为等效通流长度；A1为通流面积；m
out
为出口质量流量；P
w
为外界做功；q为外界传热。
[0019]3.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤1中，所述管网的动态特性数学模型为：
[0020][0021][0022]式中R为目标离心风机工质气体的常数；v为空气流速；下标i和j分别表示管网的进、出口序号；
[0023]管网各截面的压力计算公式为：
[0024][0025]式中，λ为摩擦阻力系数；l
w
为弯管沿程长度；ζ
w
为弯管损失系数；ζ
i
、ζ
j
分别为三通管道直流、支流方向局部损失系数，与管网系统的进、出口相对应；下标I，J，K分别表示某工质流动沿途经历直管、弯管及三通损失的序号。
[0026]4.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤1中，阀门的特性数学模型如下：
[0027][0028]式中为阀门开度；S为阀门通流面积；P
in
，T
in
分别为阀前压力，温度。
[0029]5.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征
在于，步骤2中，动态传递关系中，对于离心风机，输入为离心风机的进口压力、出口压力、进口温度，输出为离心风机的进口质量流量、出口质量流量、出口温度；
[0030]对于管网，输入为管网的进口质量流量、出口质量流量、各进口温度，输出为管网各截面压力，各出口温度；
[0031]对于阀门，输入为阀门阀前压力、阀后压力、阀门开度，输出为质量流量。
[0032]6.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤3中，所述目标仿真离心风机系统的特征为离心风机系统中各部件的连接方式与整体结构，离心风机的性能曲线与设计参数、管网的排布方式与几何尺寸、阀门的外形特征与几何尺寸。
[0033]7.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤4中的过程为：
[0034](41)在基于离心风机、管网和阀门各自的动态特性数学模型基础上，输入离心风机(1)、管网和阀门的特征参数与几何参数，在MATLAB中建立离心风机、管网和阀门的动态仿真模块；
[0035](42)根据离心风机、管网和阀门的连接方式将各动态仿真模块连接。
[0036]8.根据权利要求7所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤(42)中，离心风机、阀门为流量输出模块，管网为压力输出模块。
[0037]9.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤5中，用户根据仿真对象的实际工况，输入各部件的初始温度、初始流量和初始压力；输入大气压力、大气温度和大气湿度；输入离心风机系统中上游温度、下游温度、流量和压力边界条件；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，在MATLAB系统中建立离心风机系统的动态特性数学模型，所述离心风机系统包括离心风机(1)、管网(2)和阀门(3)；具体的，根据离心风机(1)的Greitzer模型，离心风机(1)的质量守恒方程、动量方程和能量守恒方程，获得离心风机(1)的动态特性数学模型；根据管网(2)的容腔模型、动量方程和能量守恒方程，获得管网(2)的动态特性数学模型；根据伯努利方程与阀门(3)的通流特性，获得阀门(3)的动态特性数学模型；步骤2，根据离心风机(1)、管网(2)和阀门(3)的特性数学模型，获得两两相邻部件之间压力、流量和温度的动态传递关系，所述两两相邻部件为离心风机(1)和管网(2)，以及管网(2)和阀门(3)；步骤3，确定目标仿真离心风机系统的特征；步骤4，基于步骤2获得的离心风机(1)、管网(2)、阀门(3)之间的压力、流量和温度的动态传递关系，以及步骤3获得的仿真离心风机系统的特征，通过MATLAB软件搭建目标离心风机系统的动态仿真模型；其中离心风机(1)、阀门(3)为流量输出模块，管网(2)为压力输出模块，流量输出模块和压力输出模块交替出现，实现压力、流量、温度的动态仿真；步骤5，对离心风机系统进行仿真。2.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤1中，所述离心风机(1)的动态特性数学模型为：步骤1中，所述离心风机(1)的动态特性数学模型为：步骤1中，所述离心风机(1)的动态特性数学模型为：式中a
01
为离心风机入口音速；p
in
，T
in
，m
in
为进口压力、温度和质量流量；Ψ为离心风机的无量纲性能曲线；p
p
为等效容腔的平均压力；V
p
为等效容积；N为转速；L
c
为等效通流长度；A1为通流面积；m
out
为出口质量流量；P
w
为外界做功；q为外界传热。3.根据权利要求1所述的一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法，其特征在于，步骤1中，所述管网(2)的动态特性数学模型为：步骤1中，所述管网(2)的动态特性数学模型为：式中R为目标离心风机工质气体的常数；v为空气流速；下标i和j分别表示管网的进、出口序号；管网(2)各截面的压力计算公式为：
式中，λ为摩擦阻力系数；l
w
为弯管沿程长度；ζ
w
为弯管损失系数；ζ
i
、ζ
j
分别为三通管道直流、支流方向局部损失系数，与管网系统的进、出口相对应；下标I，J，K分别表示某工质...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏阳，陈雪江，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：