Nesteen ominaisuudet ja nestetilavuuden mallinnus

Samankaltaiset tiedostot
Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Digitaalinen koneenrakennus / Virtuaalisuunnittelu

Hydraulijärjestelmien mallinnus ja simulointi 1

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Kon Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi L (3 op)

Hydrostaattinen tehonsiirto. Toimivat syrjäytysperiaatteella, eli energia muunnetaan syrjäytyselimien staattisten voimavaikutusten avulla.

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Esim: Mikä on tarvittava sylinterin halkaisija, jolla voidaan kannattaa 10 KN kuorma (F), kun käytettävissä on 100 bar paine (p).

= 84. Todennäköisin partitio on partitio k = 6,

Kuva 1. Virtauksen nopeus muuttuu poikkileikkauksen muuttuessa

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Mallien parametrisointi

Luento 16: Fluidien mekaniikka

Integroimalla ja käyttämällä lopuksi tilanyhtälöä saadaan T ( ) ( ) H 5,0 10 J + 2,0 10 0,50 1,0 10 0,80 Pa m 70 kj

X JOULEN JA THOMSONIN ILMIÖ...226

LH9-1 Eräässä prosessissa kaasu laajenee tilavuudesta V1 = 3,00 m 3 tilavuuteen V2 = 4,00 m3. Sen paine riippuu tilavuudesta yhtälön.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, perjantai :00-12:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

4. Kontrollitilavuusajattelu ja massan säilyminen. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Matemaattisesta mallintamisesta

Hydrauliikka: kooste teoriasta ja käsitteistä

HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

NESTEIDEN ja ja KAASUJEN MEKANIIKKA

Luvun 12 laskuesimerkit

Kertaus 3 Putkisto ja häviöt, pyörivät koneet. KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet

Chapter 5. Life in the Slow Lane: The Low Reynolds-Number World

KAASULÄMPÖMITTARI. 1. Työn tavoitteet. 2. Työn taustaa

Liite F: laskuesimerkkejä

Kon Hydraulijärjestelmät

V T p pv T pv T. V p V p p V p p. V p p V p

= P 0 (V 2 V 1 ) + nrt 0. nrt 0 ln V ]

Normaaliryhmä. Toisen kertaluvun normaaliryhmä on yleistä muotoa

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Virtaus ruiskutusventtiilin reiästä

KJR-C2003 Virtausmekaniikan perusteet, K2017 Tentti, pe :00-17:00 Lue tehtävät huolellisesti. Selitä tehtävissä eri vaiheet.

Soveltuu useimmille nesteille matalasta korkeaan viskositeettiin kuten öljyt, voiteluaineet, diesel, pakkasnesteet, lasinpesunesteet jne.

Luento 10. Virtaventtiilit Vastusventtiilit Virransäätöventtiilit Virranjakoventtiilit. BK60A0100 Hydraulitekniikka

R o L. V-PALLOVENTTIILI haponkestävä teräs 455- (459) sarjat SILVER LINE. Operation. Käyttö ja rakenne. Versio

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta. Laaditaan taulukko monisteen esimerkin 3.1. tapaan ( nj njk Pk

Luento 7: Voima ja Liikemäärä. Superpositio Newtonin lait Tasapainotehtävät Kitkatehtävät Ympyräliike Liikemäärä

R o L. V-PALLOVENTTIILI haponkestävä teräs Wafer tyyppi 465-sarjat SILVER LINE. Operation. Käyttö ja rakenne. Versio

LHSf5-1* Osoita, että van der Waalsin kaasun tilavuuden lämpötilakerroin on 2 γ = ( ) RV V b T 2 RTV 2 a V b. m m ( ) m m. = 1.

Kon HYDRAULIIKKA JA PNEUMATIIKKA

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

P = kv. (a) Kaasun lämpötila saadaan ideaalikaasun tilanyhtälön avulla, PV = nrt

Luento 7: Voima ja Liikemäärä

:37:37 1/50 luentokalvot_05_combined.pdf (#38)

Puhtaan kaasun fysikaalista tilaa määrittävät seuraavat 4 ominaisuutta, jotka tilanyhtälö sitoo toisiinsa: Paine p

PHYS-A3121 Termodynamiikka (ENG1) (5 op)

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

9 VALOAALTOJEN SUPERPOSITIO

SMG-4500 Tuulivoima. Kolmannen luennon aihepiirit ILMAVIRTAUKSEN ENERGIA JA TEHO. Ilmavirtauksen energia on ilmamolekyylien liike-energiaa.

Sorptiorottorin ja ei-kosteutta siirtävän kondensoivan roottorin vertailu ilmanvaihdon jäähdytyksessä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Kerrataan harmoninen värähtelijä Noste, nesteen ja kaasun aiheuttamat voimat Noste ja harmoninen värähtelijä (laskaria varten)

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

(c) Kuinka suuri suhteellinen virhe painehäviön laskennassa tehdään, jos virtaus oletetaan laminaariksi?

Mekaniikan jatkokurssi Fys102


Konventionaalisessa lämpövoimaprosessissa muunnetaan polttoaineeseen sitoutunut kemiallinen energia lämpö/sähköenergiaksi höyryprosessin avulla

Ensimmäinen pääsääntö

Oletetaan kaasu ideaalikaasuksi ja sovelletaan Daltonin lakia. Kumpikin seoksen kaasu toteuttaa erikseen ideaalikaasun tilanyhtälön:

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

KJR-C1001: Statiikka L2 Luento : voiman momentti ja voimasysteemit

Kaasu 2-atominen. Rotaatio ja translaatiovapausasteet virittyneet (f=5) c. 5 Ideaalikaasun tilanyhtälöstä saadaan kaasun moolimäärä: 3

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

Luku 13. Kertausta Hydrostaattinen paine Noste

MS-A0305 Differentiaali- ja integraalilaskenta 3 Luento 7: Pintaintegraali ja vuointegraali

Demo 5, maanantaina RATKAISUT

Luku 8 EXERGIA: TYÖPOTENTIAALIN MITTA

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

Kon Hydraulijärjestelmät

VISKOSITEETTI JA PINTAJÄNNITYS

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

4. Putkivirtaus 4. PUTKIVIRTAUS. 4.1 Virtauslajit ja Reynoldsin luku. 4.2 Putkivirtauksen häviöt

Sulkupaine (ΔP) 16 bar 63 / 40 / 25 / 16 bar Pallotiiviste Stelliitti (KC) PTFE (TC) Tiiviysluokka ISO 5208, EN RATE D RATE A

MS-A0204 Differentiaali- ja integraalilaskenta 2 (ELEC2) Luento 9: Muuttujanvaihto taso- ja avaruusintegraaleissa

Luku 4 SULJETTUJEN SYSTEEMIEN ENERGIA- ANALYYSI

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

Max. nostokorkeus Teho (kw) LVR V , Hz ~ 220 V G1. LVR V , Hz ~ 380 V G1

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

BM30A0240, Fysiikka L osa 4

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

Nopeus, kiihtyvyys ja liikemäärä Vektorit

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Moottorisahan ketjun kytkentä

4. VASTAVENTTIILIN JA PAINEENRAJOITUSVENTTIILIN SEKÄ VASTAPAINEVENTTIILIN KÄYTTÖ hydrlabra4.doc/pdf

S , Fysiikka III (ES) Tentti Tentti / välikoeuusinta

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Transkriptio:

Kon-4.47 Hydraulijärjestelmien mallintaminen ja simulointi Nesteen ominaisuudet ja nestetilavuuden mallinnus Hydrauliikka on tehon siirtoa nesteen välityksellä. Jos yrit ymmärtämään hydrauliikkaa, on sinun ensin ymmärrettävä nesteen käyttäytyminen

Nesteellä on kaksi tärkeää arametria: viskositeetti ja bulkkimoduli Viskositeetti kuvaa nesteen sisäistä kitkaa ja vaikuttaa voimakkaasti järjestelmän ainehäviöön erityisesti utkistossa. Viskositeetti riiuu voimakkaasti lämötilasta. ulkkimoduli kuvaa nesteen joustoa ja se riiuu aineesta

3 Nesteen absoluuttinen visositeetti

4 Nesteen kinemaattinen viskositeetti Yleensä käytetään kuitenkin kinemaattista viskositeettia Sen SI-yksikkö [m /s]. Yleisesti käytetään kuitenkin vanhaa yksikköä senttistoke, cst = -6 m /s

5 Nesteen viskositeetti riiuu voimakkaasti lämötilasta Sen arvo luetaan öljyn ominaiskäyristä Kun lämötila nousee, viskositeetti laskeee, tällöin: utkivirtaushäviöt ienenevät vuotohäviöt umuissa, venttiileissä ja toimilaitteissa kasvavat venttiileiden toiminta voi noeutua viskoosikitkan ienentymisen vuoksi Veden viskositeetti on n,9-6 m /s

6 Ideaalikaasun tilanyhtälö R T

7 Nesteen tilayhtälön aroksimaatio ( ) T (T T P T ) ( ) (T T ) T ja T on isotermiseksi uristusmoduliksi tai yksinkertaisesti vain bulkkimoduliksi. on tilavuuden lämötila-kerroin ja se määrittää lämötilan muutoksesta johtuvan tilavuuden muutoksen vakioaineessa.

8 Neste-kaasuseoksen tiheys ni m V i i m V n n V i m i V n m n

9 Nesteen tiheys... ni i / k n ( ) ( n ) Tiheys romahtaa ienillä aineen arvoilla

Kokoonuristuvuus Kokoonuristuvuudella tarkoitetaan nesteen tilavuuden muutoksen riiuvuutta aineesta. Nesteen kokoonuristuvuutta kuvataan uristuskertoimella d m m m V dv V V

Puristusmodulin aineriiuvuus n n k n k nieff k

Tehollinen uristusmoduli Järjestelmän uristusmodulia aroksimoidaan usein yhdellä arvolla

3 Paineen generoituminen tilavuudessa dv dt q in V q out dm in dm out dm d( V ) dt dt dt dt

4 Paineen generoituminen tilavuudessa Toisaalta massavirta voidaan määritellä tilavuusvirran avulla. dm dt q in q in out q out dv dt V d dt Oletus

5 Tehollinen uristusmoduli t v t V q t V t V q t V t V q eff t V t V q eff t V q V dt d eff t V q V dt d eff

6 Esimerkki

7 Virtaushäviöiden mallinnus

8 Painehäviöt Virtaushäviöt aiheuttavat järjestelmään ainehäviötä ja keskittyvät yleensä venttiileissä oleviin kuristuksiin. Virtaus venttiileissä on melkein aina turbulenttista Q C d a u d Missä Cd on virtauskerroin (,6,9). Kertoimen arvo riiuu geometrian muodosta. Yhtälö voidaan esittää yksinkertaistetusti: Q K u d

9 Ongelmia Tilavuusvirran derivaatta on suuri ienillä :n arvoilla. Tämä aiheuttaa ongelmia tilavuusvirran integroinnissa. Malli ei ota huomioon virtauksen laminaarisuutta ienillä :n arvoilla.

Kuristuksen modifioitu malli Q( ) C qturb ( ) 3 Re tr Q( ) 3 4D tr tr tr 9Re 8C tr qturb D Mallinnusongelma korjaantuu, kun käytetään Sline-funktiota ienillä aine-eroilla

Virtausgeometriat

Kavitaatio 9 8 d=.mm; u=bar low Rate [l/min] 7 6 5 4 3 measured flow calculated flow 8 6 4 8 6 4 Dow nstream ressure [bar] Voi vaikuttaa, jos toisioaineen arvo on ieni

Virtausvoima 3 Lounastauko

Virtausvoima Virtausvoimat 4 Venttiileissä väliaine virtaa kuristusten läi. Tämän johdosta nesteen liikemäärävirrassa taahtuu muutoksia, jotka aiheuttavat kiinteisiin kaaleisiin voimia, joita kutsutaan virtausvoimiksi. Niitä nimitetään myös ernoulin voimiksi tai hydraulisiksi reaktiovoimiksi Virtausvoimien suuruus voidaan selvittää nesteessä taahtuvan liikemäärän muutoksen erusteella I m v Nesteeseen vaikuttava tukivoima on nesteen liikemäärän muutoksen suuruinen di dt m t v v t m Staattisia virtausvoimia tarkastellessa eästationaarinen osa jätetään ois dm dt v

Tällöin virtausvoiman yhtälöksi voidaan kirjoittaa Virtausvoima Tarkastellaan kuvan mukaista tilannetta. Virtausoikkiinta-ala ienenee virtaussuunnassa, jolloin neste on kiihtyvässä liikkeessä. (87) 5 Vastaavasti kohdalle voidaan kirjoittaa (etumerkit huomioiden) dm dt - - Q Q v Resultanttivoimaksi saadaan Kohdassa virtaustilaan siirtyy massavirta dm dt Q Tästä aiheutuu virtausvoima, jonka vaikutus on virtausnoeuden suuntainen - v v Olettamalla neste kokoonuristumattomaksi virtausvoiman yhtälöksi voidaan kirjoittaa Q ( v v ) Q v

Virtausvoima Virtausvoimat luistiventtiilissä 6 dm v v cos ( ) dt v - Q v cos ( ) dm - dt v v cos ( ), kun 9 Yleisestikin ottaen virtausvoima luistiventtiilissä on aina venttiiliä sulkeva.

Virtausvoima Virtausvoimat luistiventtiilissä 7 v - Q v cos ( ) v Q C q D v - C D q cos( ) - k hyd

Virtausvoima Virtausvoimat istukkaventtiileissä 8 luistiatruuna istukkaatruuna Tulevalle virtaukselle saadaan venttiiliä avaavaksi virtausvoimaksi e virtaus irtoaa virtaus seuraa karakulmaa v Q v Q Q Lähtevälle virtaukselle venttiiliä sulkevaksi virtausvoimaksi saadaan v Q vcos( ) C q cos( ) C C q q C q cos( )

Virtausvoima Virtausvoimat istukkaventtiileissä 9 Kokonaisvirtausvoimaksi saadaan tällöin istukkaatruuna v v - v C q C q - cos( ) virtaus seuraa karakulmaa Virtausvoimat atruunaventtiilissä ovat ääosin sulkevia, kun virtaussuunta on kuvan mukainen ääosin avaavia, kun virtaussuunta on vastakkainen kuvan suunnalle

Virtausvoima Mittauksia eräästä istukkaventtiilistä 3 3 Q

Virtausvoima Mittauksia eräästä istukkaventtiilistä 3

3 Sylinteri / moottorimalli Muuntaa kammioihin kehityneen aineen voimaksi/momentiksi, Kaksi muuttuvaa tilavuutta + voimayhtälö l ma V q L V q q V V, V V ma V, V

33 Sylinterin kytkeytyminen mekanismiin Mekanismi on monikaalejärjestelmä, jonka liikeyhtälö on muotoa: M z H z, z Q M on mekanismin inertiamatriisi z on mekaanisten tilojen vektori H on vektorifunktio, joka sisältää mm. mekanismin Coriolis-, keskiako-, kitka ja gravitaatiovoimat/momentit Q on yleistettyjen voimien vektori (voi sisältää sekä voimia että momentteja). Yleistetyt voimat riiuvat sylinterin voimasta ja mekaanisista tiloista z. Sylinterin männän asema taas riiuu tiloista z ja männän noeus sekä tiloista z että tilojen derivaatoista q q d/dt SYLINTERI Q = f (,z) + - H(z,dz/dt) M - d/dt = f (z,dz/dt) = f 3(z) MEKNISMI

34 Sylinterin kytkeytyminen venttiiliin u S 4/3-SUUNT- VENTTIILI q q SYLINTERI T d/dt

35 Sylinterin kytkeytyminen venttiiliin u q V in, q in, q S 4/3-SUUNT- VENTTIILI Tilavuus venttiilin ja -ortin välissä SYLINTERI T q V in, q in, q Tilavuus venttiilin ja -ortin välissä d/dt

36 Sylinterin äätyjen mallintaminen end K end K end b, ma end b end,, ma ma

37 Sylinterin kitkavoima b e S v C S C ) / ( ) ( sgn,, sgn

38 Sylinterin kitkavoima, riiuvuus aineesta b e v S C S C ) / ( ) ( sgn,,, ref / 3 3,

39 Kitkan mallinnus simulointia varten, modifioidun Signum funktion käyttö sgn tanhk, K

4 Kitkan mallinnus simulointia varten, dynaaminen kitkamalli *,, z z z b z z b Sylinterin tiivisteen taiuma [m] Sylinterin tiivisteen jousivakio [N/m] Sylinterin tiivisteen vaimennuskerroin [Ns/m] Viskoosikitkakerroin [Ns/m]

Putkien mallinnuksen roblematiikkaa 4 Putket muodostavat nestetilavuuksia, jotka kytkevät hydraulikomonentteja toisiinsa. Ne ovat sen vuoksi eriaatteessa tilavuusmalleja. Putket voivat olla itkiä, ja nesteellä voi niissä olla huomattava virtausnoeus, jolloin oletus aineen tasaisesta jakautumisesta tilavuudessa ei välttämättä toteudu. Putki aiheuttaa järjestelmään seuraavia ominaisuuksia: jousto tilavuuden kasvun vuoksi (kaasitanssi) ainehaviö virtauskitkan vuoksi (resistanssi) aineisku nesteen inertian vuoksi (induktanssi) Putkea mallinnetaan joskus analogian vuoksi sähkökomonenttina. Tämä on mahdollista, mutta tällöin on oltava tarkkana siinä, että kaasitanssi, resistanssi ja induktanssi identifioidaan oikealla tavalla.

Putkien mallinnuksen roblematiikkaa 4 Yksi kätevä aroksimaatio on sellainen, jossa utken ainehäviö mallinnetaan utken keskellä olevaksi kuristukseksi, joka jakaa utken kahteen utken äissä olevaan tilavuuteen. Putken ainehäviö mallinnetaan lineaarikombinaationa laminaarisesta ja turbulenttisesta virtaushäviöstä, joka yleensä kuvaa hyvin utkihäviötä

Putkien mallinnuksen roblematiikkaa 43 Putkeen liittyy myöskin siirtoaikaviive, joka johtuu aineaallon äärellisestä noeudesta utkessa. Äänen noeus öljyssä on 8 m/s riiuen öljyn ilmaitoisuudesta. Viiveen lisäksi samasta ilmiöstä aiheutuu akustisia resonassitaajuuksia (seisovia aaltoja), jotka joskus saattavat olla haitallisia. Toisesta äästään suljetun utken resonanssitaajuus on a f a 4 L esim utki, jossa D = m ja a m/s, fa = 5 Hz Taajuustasossa utkien akustisia ominaisuuksia voidaan tarkastella ns. nelinaayhtälöiden avulla. ikatasossa tarkasteluun tarvitaan osittaisdifferentiaaliaaliyhtälön ratkaisu, mutta käytännössä tätä joudutaan aroksimoimaan tavallisten differentiaaliyhtälöiden joukolla. Tällainen tarkastelu on mahdollinen, mutta numeerisesti hieman raskas