열 유체 파이프라인 모델링하기

이 튜토리얼에서는 펌프로 구동되는 열 유체 파이프라인을 모델링하는 방법을 보여줍니다. 파이프라인 시스템은 펌프, 파이프, 두 개의 열 유체 레저버로 구성됩니다. 펌프는 파워를 발생시키고 파이프는 레저버 간에 유체를 수송합니다. 레저버는 파이프라인 시스템의 압력 및 온도 경계 조건 역할을 합니다. "열"은 고체 시스템의 속성을 나타내는 반면 "열 유체"는 유체 시스템의 속성을 나타냅니다.

열 유체 파이프라인 도식

레저버 조건은 실온 293.15K와 대기압 0.101325MPa로 고정됩니다. 파이프 외부 표면 온도는 275K로 고정되어 있습니다. 파이프 유체 부피는 처음에는 실온 상태이지만, 마찰로 인한 발열과 전도 냉각의 복합적인 영향을 통해 점차 새로운 정상 상태 값으로 이동합니다. 파이프의 열 저항은 이러한 대류 저항과 전도 저항이 결합된 것입니다.

파이프 열 저항

Pipe (TL) 블록은 파이프 내부 표면의 대류 열 저항과 열 유체 내의 마찰로 인한 발열을 모델링합니다. Conductive Heat Transfer 블록은 파이프 내부 표면과 외부 표면 사이의 전도 열 저항을 모델링합니다.

새 모델 시작하기

  1. MATLAB® 명령 프롬프트에 sscnew를 입력합니다. MATLAB에서 Simscape™ 모델 템플릿이 열립니다. 이 템플릿은 Simscape Fluids™ 모델의 시작점을 제공하며 Solver Configuration 블록, Simulink-PS Converter 블록, PS-Simulink Converter 블록, 그리고 시뮬레이션 결과를 볼 수 있는 Scope 블록을 포함합니다. Simulink-PS Converter 블록은 이 예제에서 필요하지 않습니다.

  2. 새 블록을 추가할 때 모델을 자주 저장합니다.

  3. 시뮬레이션 탭에서 라이브러리 브라우저를 클릭합니다. 팝업 창에서 Simscape > Foundation Library > Thermal Liquid > Utilities 라이브러리를 선택하고 Thermal Liquid Settings (TL) 블록을 모델 캔버스로 끌어서 놓습니다. 이 블록은 점도, 열전도도, 체적 탄성 계수를 포함하여 열 유체의 물리적 속성을 정의합니다.

  4. 그림에 표시된 것처럼 Solver Configuration 블록과 Thermal Liquid Settings (TL) 블록을 연결합니다. Solver Configuration 블록은 모델에 대한 Simscape 솔버 설정을 제공합니다. 각 물리 네트워크에는 Solver Configuration 블록이 필요합니다.

파이프라인 모델링하기

  1. 라이브러리 브라우저를 엽니다. Simscape > Foundation Library > Thermal Liquid > Elements 라이브러리를 선택하고 두 개의 Reservoir (TL) 블록을 모델 캔버스로 끌어서 놓습니다. 레저버 블록은 파이프라인 모델의 압력 및 온도 경계 조건을 설정합니다.

  2. Simscape > Fluids > Thermal Liquid 라이브러리에서 다음 블록을 삽입합니다.

    블록 라이브러리목적
    Pipe (TL)Pipes & Fittings레저버 간 열 유체 수송을 위한 도관
    Fixed-Displacement Pump (TL)Pumps & Motors 파워 발생 소스

  3. 아래 그림과 같이 블록을 연결하고 연결을 확인합니다. 참고로, 블록을 회전할 수 있습니다.

    1. Pipe (TL) 블록의 포트 A는 Fixed-Displacement Pump (TL) 블록의 포트 B에 연결됩니다.

    2. Pipe (TL) 블록의 포트 B는 하나의 Reservoir (TL) 블록에 연결됩니다. 이는 열 유체 싱크 역할을 합니다.

    3. Fixed-Displacement Pump (TL) 블록의 포트 A는 두 번째 Reservoir (TL) 블록, Solver Configuration 블록 및 Thermal Liquid Settings (TL) 블록에 연결됩니다. Reservoir 블록은 열 유체 소스 역할을 합니다.

    컴포넌트 색은 컴포넌트가 나타내는 물리 도메인을 의미하며, 열 유체(Thermal Liquid)의 경우 노란색, 열(Thermal)의 경우 빨간색, 회전 기계(Mechanical Rotational)의 경우 녹색으로 표시됩니다. 펌프 블록과 파이프 블록은 서로 다른 물리 도메인들을 인터페이싱하는 데 사용할 수 있는 다중 도메인 블록입니다.

  4. Pipe (TL) 블록에서 파이프 길이 파라미터를 1000m로 설정합니다. 이 길이로 설정하면 파이프 벽에서의 마찰에 의한 소실 및 열 전달로 인해 관측 가능한 압력 손실이 발생합니다.

열전도 추가하기

  1. 라이브러리 브라우저를 열고 Simscape > Foundation Library에서 다음 블록을 삽입합니다.

    블록라이브러리목적
    Conductive Heat TransferThermal > Thermal Elements 파이프 벽을 통해 주변 환경으로 방출되는 전도성 열 손실 모델링
    Thermal ReferenceThermal > Thermal Elements물리 신호 입력에 대한 온도 기준 제공
    Controlled Temperature SourceThermal > Thermal Sources이상적인 에너지 소스로 동작하고 열 유량에 관계없이 온도 유지
    PS Constant Physical Signals > Sources주변 온도 지정

  2. 아래 그림과 같이 블록을 연결하고 연결을 확인합니다. 참고로, 블록을 회전할 수 있습니다.

    1. Conductive Heat Transfer 블록의 포트 B를 Pipe (TL) 블록의 포트 H에 연결합니다.

    2. Controlled Temperature Source 블록의 포트 B를 Conductive Heat Transfer 블록의 포트 A에 연결합니다.

    3. PS Constant 블록을 Controlled Temperature Source 블록의 포트 S에 연결합니다.

    4. Thermal Reference 블록을 Controlled Temperature Source 블록의 포트 A에 연결합니다.

  3. PS Constant 블록 파라미터 창에서 상수 파라미터를 275 K로 설정합니다. 이는 주변 온도입니다.

  4. Conductive Heat Transfer 블록에서 면적 파라미터를 pi*0.1128*1000m2로 설정합니다. 이는 유압 지름 0.1128m 및 길이 1000m에 대한 파이프 표면 면적입니다. 디폴트 열전도도 값은 구리의 열전도도인 401 W/(mK)입니다.

펌프 토크 모델링하기

  1. 라이브러리 브라우저를 열고 Simscape Foundation Library에서 다음 블록을 삽입합니다.

    블록라이브러리목적
    Ideal Torque SourceMechanical > Mechanical Sources펌프 토크 변화율을 물리 신호로 설정
    Mechanical Rotational ReferenceMechanical > Rotational ElementsIdeal Torque Source에 대한 기준점 역할을 하고 물리 신호를 지정된 값으로 유지
    PS Constant브라우저의 공백 부분을 더블 클릭하고 PS Constant를 입력한 후 Enter 키를 누릅니다.펌프 토크 지정

  2. 아래 그림과 같이 블록을 연결하고 연결을 확인합니다. 참고로, 블록을 회전할 수 있습니다.

    1. 회전하는 펌프 샤프트를 나타내는 Fixed-displacement Pump (TL) 블록의 포트 R을 Ideal Torque Source 블록의 포트 R에 연결합니다.

    2. 펌프 케이싱을 나타내는 Ideal Torque Source 블록의 포트 C를 Fixed-Displacement Pump (TL) 블록의 포트 C와 Mechanical Rotational Reference 블록에 연결합니다.

    3. Ideal Torque Source 블록의 포트 S를 PS Constant 블록에 연결합니다.

  3. PS Constant 블록 파라미터 창에서 상수 파라미터를 50 N*m로 설정합니다.

열 유체 센서 추가하기

  1. 라이브러리 브라우저를 열고 다음 블록을 모델에 추가합니다.

    블록라이브러리목적
    Flow Rate Sensor (TL)Simscape > Foundation Library > Thermal Liquid > Sensors열 유체 도메인의 Through 변수를 측정하고 물리 신호 반환
    PS-Simulink ConverterSimscape > Utilities 물리 신호를 Simulink® 신호로 변환
    ScopeSimulink > SinksSimulink 신호 플로팅

  2. 아래 그림과 같이 블록을 연결하고 연결을 확인합니다. 참고로, 블록을 회전할 수 있습니다.

    1. Pipe (TL) 블록은 섹션 1.5.4의 Reservoir에 연결되며, 이 블록은 시스템의 압력 및 온도 경계 조건을 제공합니다. 이제 파이프 유동을 측정할 방법을 추가하겠습니다. Reservoir 블록에서 Pipe (TL) 블록의 포트 B의 연결을 끊고 이를 Flow Rate Sensor (TL) 블록의 포트 A에 연결합니다.

    2. Flow Rate Sensor 블록의 포트 B를 Reservoir 블록에 연결합니다.

    3. Flow Rate Sensor (TL) 블록의 포트 M을 PS-Simulink Converter 블록에 연결합니다.

    4. PS-Simulink Converter 블록을 Scope 블록에 연결합니다. Scope 블록을 클릭하고 이름을 "Mass Flow Rate Scope"로 지정합니다.

  3. 라이브러리 브라우저를 열고 다음 블록을 모델에 추가합니다. 새 모델을 열 때 포함되어 있던 PS-Simulink Converter 블록과 Scope 블록도 사용합니다.

    블록라이브러리목적
    Pressure & Temperature Sensor (TL)Simscape > Foundation Library > Thermal Liquid > Sensors열 유체 도메인의 Across 변수를 측정하고 물리 신호 반환
    Absolute Reference (TL)Simscape > Foundation Library > Thermal Liquid > Elements압력과 온도가 0인 제어 기준점 제공

  4. 아래 그림과 같이 블록을 연결하고 연결을 확인합니다. 참고로, 블록을 회전할 수 있습니다.

    1. Pressure & Temperature Sensor (TL) 블록 파라미터 창을 엽니다. 측정 기준 파라미터를 차이로 설정하고 온도를 선택합니다.

    2. Mass & Energy Flow Rate Sensor (TL) 블록의 포트 B에서 분기를 만든 다음 이를 Pressure & Temperature Sensor (TL) 블록의 포트 A에 연결합니다.

    3. Pressure & Temperature Sensor (TL) 블록의 포트 B를 Absolute Reference 블록에 연결합니다.

    4. Pressure & Temperature Sensor (TL) 블록의 포트 T를 PS-Simulink Converter 블록에 연결합니다.

    5. PS-Simulink Converter가 남은 Scope 블록에 아직 연결되어 있지 않으면 이 두 블록을 연결합니다. 이 Scope 블록을 클릭하고 이름을 "Temperature Scope"로 지정합니다.

파이프라인 모델 시뮬레이션하기

Simscape 모델 템플릿은 이 모델에 적합한 솔버 설정을 지정합니다. 시뮬레이션 탭을 열고 실행 > 실행을 클릭하여 시뮬레이션을 실행할 수 있습니다. 모델 컴파일이 완료되면 Mass Flow Rate Scope를 엽니다. 플롯에는 열 유체가 휴지 상태에서 새로운 정상 상태 속도로 전환될 때 유량의 급격한 변화가 표시됩니다.

다른 블록 설정과 입력 신호를 사용하여 실험해 볼 수 있습니다. Pipe (TL) 블록의 유체 관성 파라미터를 켜기로 설정한 다음 모델을 실행해 보십시오. 아래 그림은 유체의 동적 압축성과 유체 관성의 결합된 영향이 질량 유량 플롯에 미치는 효과를 보여줍니다.

참고 항목

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도움말 항목