一种基于MATLAB的离心风机系统动态仿真方法和系统与流程

一种基于matlab的离心风机系统动态仿真方法和系统
技术领域
1.本发明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。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。


技术实现要素：

5.本发明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。
6.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
7.一种基于matlab的离心风机系统动态仿真方法，包括以下步骤：
8.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；
9.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；
10.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。
11.步骤3，确定目标仿真离心风机系统的特征；
12.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；
13.步骤5，对离心风机系统进行仿真。
14.2.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；lc为等效通流长度；a1为通流面积；m
out
为出口质量流量；pw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；lw为弯管沿程长度；ζw为弯管损失系数；ζi、ζj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；输入各阀门动作在时域上的函数和离心风机功率。
[0038]
一种基于matlab的离心风机系统动态仿真系统，包括：
[0039]
特性数学模型建立单元，用于在matlab系统中建立离心风机系统的动态特性数学模型；
[0040]
动态传递关系建立单元，用于根据离心风机、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；
[0041]
特征确定单元，用于确定目标仿真离心风机系统的特征；
[0042]
动态仿真模型搭建单元，用于基于离心风机、管网、阀门之间的压力、流量和温度的动态传递关系，以及仿真动态特性数学模型，通过matlab软件搭建目标离心风机系统的动态仿真模型；
[0043]
仿真单元，用于对离心风机系统进行仿真。
[0044]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0045]
本发明公开了一种基于matlab的离心风机系统动态仿真方法和系统，该方法动态仿真精度高，本发明中的数学动态特性模型源于部件机理与守恒方程，仿真结果符合离心风机系统的动态特性；该方法便捷高效，相比于离心风机系统试验研究中需设置实验，布置大量压力、流量、温度测量装置及配套数据采集、传输、处理、储存设备，本动态仿真模型能大幅节约成本，此外，相比于cfd仿真需要大量计算资源，本发明中的集总参数模型，能正确描述离心风机系统动态特性的同时所需的运算资源较少，更加高效；该方法的通用性强，该方法适用于一切由离心风机、管网、阀门组成的离心风机系统，本发明在离心风机、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；该方法在matlab/simulink软件上为离心风机系统动态特性研究提供了实验仿真平台，通过仿真结果可以进一步研究离心风机、管网、阀门的动态特性、控制策略、设计方案等，为离心风机系统的动态特性研究提供了一种动态仿真研究方法。
附图说明
[0046]
图1是离心风机动态仿真模型图；
[0047]
图2是管网动态仿真模型图；
[0048]
图3是阀门动态仿真模型图；
[0049]
图4是离心风机系统动态仿真方法的技术分解图；
[0050]
图5是“阀门-管网-离心风机”系统的结构示意图；
[0051]
图6是“阀门-管网-离心风机”系统的仿真模型图；
[0052]
图7是离心风机系统压力仿真与实验结果对比图，其中(a)是离心风机入口压力对比图，(b)是离心风机出口压力对比图；
[0053]
图8是离心风机系统流量仿真与实验结果对比图；
[0054]
图9是离心风机系统温度仿真结果图；
[0055]
图10是离心风机性能曲线仿真与实验结果对比图，其中(a)是压力性能对比图，(b)是效率性能曲线对比图；
[0056]
其中，1-离心风机；2-管网；3-阀门。
具体实施方式
[0057]
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步详细描述：
[0058]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0059]
本发明公开了一种基于matlab的离心风机系统动态仿真方法，包括以下步骤：
[0060]
1)针对离心风机系统中常见的离心风机1、管网2、阀门3等部件建立机理模型，从质量、动量、能量守恒方程出发，结合各部件的动态特性关系，获得各部件的动态特性数学模型；
[0061]
步骤1)的具体过程为：
[0062]
11)根据离心风机1的greitzer模型，结合离心风机1的质量守恒方程、离心风机1的动量方程与离心风机1的能量守恒方程，获得离心风机1的动态特性数学模型；该模型对于离心通风机、离心鼓风机、离心压缩机均适用，具有一定通用性，具体如下：
[0063][0064][0065][0066]
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；lc为等效通流长度；a1为通流面积；m
out
为出口质量流量；pw为外界做功；q为外界传热；
[0067]
12)根据管网2的容腔模型、结合管网2的质量守恒方程、管网2的动量方程与管网2的能量守恒方程，获得管网2的动态特性数学模型如下：
[0068][0069][0070]
式中r为目标离心风机1工质气体的常数；v为空气流速；下标i和j分别表示管网2的进、出口序号；
[0071]
通过上式获得管网2的集总参数压力p，根据工质在管网2中的流动途径计算其压力损失，进而获得管网2各截面的压力，具体为：
[0072][0073]
式中λ为摩擦阻力系数；lw为弯管沿程长度；ζw为弯管损失系数；ζi、ζj分别为三通管道直流、支流方向局部损失系数，与管网2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；
[0074]
13)根据伯努利方程与阀门3通流特性，获得阀门3的特性数学模型如下：
[0075][0076]
式中为阀门3开度；s为阀门3通流面积；p
in
，t
in
分别为阀前压力，温度。
[0077]
2)建立离心风机1、管网2和阀门3之间的参数传递关系，根据离心风机1、管网2、阀门3等部件的动态特性数学模型，获得离心风机系统中压力、流量、温度等参数的动态传递关系；
[0078]
具体过程为：
[0079]
21)离心风机系统动态仿真中，离心风机1的动态仿真计算模型如附图1所示，输入为进口压力、出口压力、进口温度，输出为离心风机1的进口质量流量、出口质量流量、出口温度；
[0080]
22)离心风机系统动态仿真中，管网2的动态仿真计算模型如附图2所示，输入为管网2的进口质量流量、出口质量流量、各进口温度，输出为管网2各截面压力，各出口温度；
[0081]
23)离心风机系统动态仿真中，阀门3的动态仿真计算模型如附图3所示，输入为阀门3阀前压力、阀后压力、阀门3开度，输出为质量流量。
[0082]
更为具体的，参见图5，系统由“阀门3、管网2和离心风机1”组成，设置t＝0时刻阀门3的初始流量，管网2的初始压力和离心风机1的初始流量。系统上游下游的大气中大气压力不变。对于离心风机1、管网2和阀门3中，任意两个相连的两个部件交界面上，压力、温度、流量在任意时刻相等。在任意时刻，阀门3的质量流量由截面7和截面5的压力求得，其中截面7的压力为阀门3上游的大气压力，截面5的压力为上一时刻阀门3下游的管道压力。在任意时刻，管网2的压力由截面5和截面7的流量求得，其中截面5的流量为上一时刻管网2上游阀门3的流量，截面1的流量为上一时刻管网2下游离心风机1的流量。在任意时刻，离心风机1的流量由截面1的压力和截面2的压力求得，其中截面1的压力为离心风机1上游管道在上一时刻的压力，截面2的压力为离心风机1下游大气的压力。
[0083]
3)根据用户需求确定仿真对象的特征；
[0084]
步骤3)具体步骤为：获得仿真对象即目标离心风机系统各部件的连接方式与整体结构、离心风机1的性能曲线与设计参数、管网2的排布方式与几何尺寸、阀门3的外形特征与几何尺寸。
[0085]
4)基于离心风机1、管网2、阀门3等部件的动态特性数学模型与离心风机系统中压力、流量、温度等参数的动态传递关系，根据仿真对象的特征，通过matlab软件搭建目标离心风机系统的动态仿真模型，优选的，通过matlab软件中的simulink模块搭建目标离心风机系统的动态仿真模型。
[0086]
步骤4)的具体过程为：
[0087]
41)根据离心风机1、管网2、阀门3的动态特性数学模型的基础上，输入目标离心风机系统中离心风机1、管网2、阀门3的特征参数与几何参数，将离心风机1、管网2、阀门3的动态特性数学模型结合，在matlab中建立离心风机1、管网2、阀门3的动态仿真模块；
[0088]
42)根据目标离心风机系统中离心风机1、管网2、阀门3的连接方式将各动态仿真模块连接，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，二者交替出现，实现压力、流量、温度的动态仿真，完成离心风机系统动态仿真模型的搭建。
[0089]
5)通过步骤建立的动态仿真模型，对目标离心风机系统的典型工况进行仿真，并输出仿真模型的仿真结果。
[0090]
所述的步骤5)中对目标离心风机系统的典型工况进行仿真具体为：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、初始压力等初始条件；输入大气压力、大气温度、大气湿度和离心风机系统上、下游温度、流量、压力等边界条件；输入各阀门3动作在时域上的函数，离心风机1功率等边界条件。
[0091]
所述的步骤5)中离心风机系统动态仿真模型的仿真结果包括离心风机1进出口、管网2截面、阀门3前后等截面的压力、流量、温度动态参数。
[0092]
本发明中各部件的数学模型本质都是微分方程组，仿真过程本质就是对各部件的方程的联合解耦，以压力、温度和质量流量为传递参数，部件连接面的上述参数在任意时刻相等，对方程离散，设置时间步长与精度，最后求解出各个方程压力、温度和质量流量随时
间变化的函数。
[0093]
本发明还公开了一种基于matlab的离心风机系统动态仿真系统，该系统包括：
[0094]
特性数学模型建立单元，用于在matlab系统中建立离心风机系统的动态特性数学模型；
[0095]
动态传递关系建立单元，用于根据离心风机、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；
[0096]
特征确定单元，用于确定目标仿真离心风机系统的特征；
[0097]
动态仿真模型搭建单元，用于基于离心风机、管网、阀门之间的压力、流量和温度的动态传递关系，以及仿真动态特性数学模型，通过matlab软件搭建目标离心风机系统的动态仿真模型；
[0098]
仿真单元，用于对离心风机系统进行仿真。
[0099]
图4给出了本发明的技术路线，其中离心风机1、阀门3、管网2的通用动态仿真已在matlab/simulink中搭建完成，用户可自行设置离心风机1、管网2、阀门3的特性参数。进行系统仿真时，用户可以根据已知的离心风机1的结构搭建系统动态仿真模型或根据需求自行设计、搭建离心风机系统动态仿真模型。下面将以“阀门3-管网2-离心风机1”离心风机系统为例，详细说明本发明如何进行动态仿真。
[0100]
图5给出了“阀门3-管网2-离心风机1”离心风机系统的结构示意图，该结构为典型的离心风机1性能测试试验装置，其连接顺序为阀门3上游为大气，下游连接直管4，直管4连接离心风机1，风机下游连接大气。阀门3为蝶阀。
[0101]
根据上述连接方式，在matlab/simulink中搭建动态仿真模型，其仿真模型图如图6所示。为验证本发明的精确性与可靠性，搭建“阀门3-管网2-离心风机1”的实验装置并获得多组实验数据。其中，受限于成本，实验装置测量了六组稳态工况的参数，如表1所示,其中δp为锥形节流器的压差，p
e3
为3截面表压。离心风机系统的各部件几何参数如表2所示，按照表2在matlab/simulink中完成动态仿真系统的参数设计。
[0102]
表1离心风机系统在多个稳态工况下的实验数据
[0103][0104]
表2动态仿真系统的初始条件
[0105]
[0106][0107]
设计总仿真时间为180s，根据实验中6个稳态工况下的阀门3开度设定仿真中阀门3随时间变化如表3所示。以此为输入条件进行动态仿真。将仿真结果与实验结果对比如图7，8所示，由于实验中测量了6个稳态工况，将稳态工况转化为阶跃信号与仿真动态信号进行对比。此外，本实验中设计的离心风机1功耗低，温升小，未设置温度测量装置，仅展示离心风机1进出口的温度动态仿真结果，如图9所示。
[0108]
表3动态仿真系统的阀门3开度设置
[0109][0110]
由图7,图8和图9所示，本发明所述的离心风机系统动态建模方法的仿真结果与实验结果较为吻合，且补充了稳态实验中缺乏的参数动态变化过程。为进一步确定本阀门3的精度，利用上述的“阀门3-管网2-离心风机1”动态仿真模型对多个工况进行动态仿真，由仿真结果计算得到所述离心风机1的性能曲线，并将仿真获得的性能曲线与实验数据算得的性能曲线进行对比，如图10所示，其中(a)(b)分别展示了离心风机1压力性能与效率性能。仿真获得的性能曲线与实验获得的性能曲线误差较小。
[0111]
综上所述，本发明提出的离心风机系统动态仿真方法具有较高的精度。
[0112]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。