Există multe modalități de a măsura experimental presiunea fluidului. Atunci când se creează modele computaționale de procese hidrodinamice, este important să se folosească valoarea corectă a presiunii pentru stabilirea condițiilor limită și determinarea proprietăților materialelor. În acest articol ne vom uita la diferențele dintre presiune relativă și absolută, explica de ce pachetul software COMSOL Multiphysics® presiunea relativă este utilizată pentru a rezolva problemele hidrodinamice, și vă arată când să aplice aceste metode de determinare a presiunii.
Care este diferența dintre presiunile absolute și cele relative?
În mecanica fluidelor, presiunea este definită ca raportul dintre forță și suprafața la care se aplică această forță. COMSOL Multiphysics vă permite să rezolvați ecuațiile Navier-Stokes. descriind fluxul unui fluid și găsind câmpurile de viteză și presiune ale unui mediu în mișcare.
În problemele de dinamică a fluidelor computaționale, presiunea poate fi specificată în două moduri, utilizând presiunea absolută sau relativă.
Presiune absolută
Presiunea absolută este presiunea reală a lichidului față de vid. De exemplu, în cazul în care măsura presiunea aerului ambiant barometru într-o zi obișnuită, vedem că presiunea absolută este de aproximativ 1 atm sau 101.325 kPa - Această valoare corespunde presiunii atmosferice la nivelul mării. Presiunea absolută zero corespunde vacuumului.
Barometrul permite măsurarea presiunii aerului de la 950 la 1050 mbar (1 mbar = 100 Pa). Imaginea oferită de Langspeed. Disponibil sub licența CC BY-SA 3.0 de la Wikimedia Commons.
Presiunea relativă
Presiunea relativă este presiunea fluidului față de valoarea de referință, care este utilizată ca nivel de referință al presiunii. Presiunea ecartamentului este presiunea măsurată în raport cu presiunea ambiantă, adică, această presiune relativă, cu condiția ca presiunea ambiantă să fie luată drept punct de referință. De regulă, presiunea relativă este utilizată pentru a caracteriza sistemele închise. Acesta poate fi măsurat cu un manometru - un instrument care vă permite să corelați presiunea internă cu presiunea mediului extern.
Manometre utilizate pentru măsurarea presiunii relative la stația de comandă a presiunii. Rețineți că scalele pornesc de la zero, ceea ce corespunde valorii presiunii de bază din sistem. Imagine de curtoazie Holmium - munca proprie. Disponibil sub licența CC BY-SA 3.0 de la Wikimedia Commons.
Presiunea absolută și presiunea relativă sunt corelate după cum urmează:
În cazul în care presiunea de vid este utilizată ca presiune de bază, presiunile absolute și relative sunt aceleași. În multe cazuri, valoarea presiunii de bază corespunde presiunii atmosferice sau presiunii ambientale.
Să corelem aceste metode de determinare a presiunii cu ceea ce vedem în COMSOL Multiphysics. La rezolvarea problemelor de hidrodinamică, software-ul COMSOL calculează valorile componentelor de viteză (u, v, w) și presiunea relativă (p). Apoi, explicăm modul în care utilizarea presiunii relative în loc de absolută ca variabilă dependentă vă permite să calculați cu mai multă precizie presiunea din modelul nostru. Putem folosi valorile relative ale presiunii pentru condițiile inițiale și limită, așa cum se arată în exemplul următor.
Cum se stabilește presiunea fluidului în COMSOL Multiphysics®
Luați în considerare un exemplu care arată cum să utilizați corect variabilele pentru presiuni relative și absolute în modelul COMSOL Multiphysics. Pentru a face acest lucru, folosim un model simplu al debitului de aer care intră în canal la o viteză de 1 m / s la o presiune absolută în secțiunea de ieșire de 1 atm. La limitele superioare și inferioare se utilizează condițiile de viteză zero, cu excepția secțiunii scurte de intrare pe care sunt specificate condițiile de simetrie. Condiții specifice pentru o secțiune de admisie scurtă evita inconsecvențele condiții limită care apar atunci când specificând o distribuție uniformă a vitezei de intrare, care nu pot fi satisfăcute la pereți solizi.
Reprezentarea schematică a canalului și a fluxului de aer prin acesta.
În modelul analizat, variabilele pentru presiunile relative și absolute sunt notate cu p și respectiv cu spf.pA. În interfața de setare flux laminar (flux laminar), care asociază variabilele necunoscute sunt componentele vitezei (u, v, w) și presiunea relativă (p).
Fereastra Setări cu o listă de variabile dependente.
Așa cum se poate vedea din figura de mai jos, presiunea implicită este de 1 atm. Această valoare este folosită la calculele de presiune absolută: spf.pA = p + spf.pref.
Pentru a alege un parametru compresibilitate flux slab compresibile (mediu compresibile Începător), ceea ce înseamnă că densitatea mediului depinde de temperatura și presiunea calculată pentru valorile de bază. Puteți afla mai multe despre setările de compresibilitate diferite din articolul din blogul precedent.
Compresibilitatea și setările presiunii de bază.
Acum, să stabilim condițiile limită. Pentru componenta de viteză normală la intrare, setați valoarea la 1 m / s. Când setați o condiție de frontieră, în secțiunea de evacuare și valorile inițiale ale variabilelor necunoscute trebuie să intre valoarea presiunii relative, având în vedere valoarea de bază specificată, după cum vom folosi setările implicite. Când adăugați o ieșire vom vedea că valoarea implicită relativă a presiunii p = 0, adică presiunea absolută este de 1 atm folosind o valoare prestabilită a presiunii de referință.
Ferestrele de setări pentru condițiile limită în care presiunile relative sunt setate ca condiții inițiale (stânga) și limită (dreapta).
Probabil ați avut o întrebare, pentru ceea ce se face în calculul COMSOL® a unei variabile pentru presiunea absolută spf.pA. Presiunea absolută este utilizată la calcularea densității unui fluid compresibil. De exemplu, dacă vom merge la descrierea proprietăților aerului în canal, putem vedea că densitatea este calculată din ecuația de stare a gazului ideal unde pA - presiune absoluta, T - temperatura. Deoarece starea absolută a gazului ideal include presiunea absolută, la calcularea densității, presiunea relativă p trebuie adăugată la nivelul de referință al presiunii. Cu toate acestea, contribuția relativă a presiunii la presiunea totală este atât de mică (0,00025%, vezi mai jos.) Că la calcularea densității poate utiliza o valoare a presiunii de bază - și precis calculează densitatea în selectarea parametrului flux slab compresibile (mediu compresibil Începător) . În sistemele cu o schimbare de presiune mare în flux, puteți selecta opțiunea Comprimabil debit.
Calculul densității prin ecuația de stare a unui gaz ideal.
Acum, prin stabilirea condițiilor de graniță pentru problema noastră, putem obține soluția și vizualiza câmpul de flux cu ajutorul fluxurilor.
Câmpul de curgere din canal, prezentat cu ajutorul liniilor de flux și a câmpului de viteză.
În plus, putem construi o distribuție a presiunii în secțiunea de admisie a canalului (de-a lungul axei y pe limita verticală stângă). Din graficul de mai jos se poate vedea că schimbarea de presiune în secțiunea de intrare este de aproximativ 0,1 Pa la o presiune de bază de 105 Pa. Aceasta înseamnă că presiunea de bază este de aproximativ un milion de ori mai mare decât schimbarea presiunii din secțiunea de admisie!
Distribuția presiunii relative de-a lungul limitei de intrare verticale.
Soluția problemelor hidrodinamice cu ajutorul presiunii relative
Implicit în hidrodinamicii de soluții în COMSOL Multiphysics ca variabila dependentă este folosită presiunea relativă, iar atunci când este necesar pentru a obține valoarea presiunii absolute, de exemplu, pentru a calcula densitatea lichidului este pur și simplu adăugat la presiunea de bază relativă. Aceasta crește precizia calculării fluctuațiilor câmpului de presiune în jurul valorii de bază, precum și calcularea gradientilor de presiune.
Acum, reveniți la exemplul nostru și calculați scăderea presiunii. Utilizând operația Line Average, putem determina că valoarea presiunii relative la intrare este pinlet = 0.26 Pa.
Imaginați-vă acum că am rezolvat problema folosind presiunea absolută. În acest caz, valorile presiunii la intrare și ieșire ar fi egale cu 101 325,26 Pa și 101 325,00 Pa, respectiv. Schimbarea relativă a presiunii dintre secțiunile de admisie și de evacuare a canalului este de 0,000253814%. Așa cum se arată în graficul de distribuție a presiunii, modificările la intrare sunt și mai nesemnificative: presiunea variază în limita a 1 milion din valoarea presiunii absolute. O astfel de schimbare relativă mică este foarte dificil de calculat cu exactitate la rezolvarea ecuațiilor.
Deoarece rezolvăm problema printr-o metodă numerică, obținem doar valori aproximative ale câmpului de presiune reală. Presiunea este definită în fiecare punct, în timp ce soluția numerică permite găsirea valorilor presiunii într-un număr relativ mic de puncte. Din cauza erorii de rotunjire și interpolare, apare o eroare numerică. În plus, soluția numerică a ecuațiilor poate fi obținută doar cu o anumită precizie limitată, dată. Eroarea valorilor presiunii găsite prin metode numerice este comparabilă cu schimbările relativ mici ale presiunii pe care o căutăm. Cu o presiune pe bază și expansiune relativă, putem mai eficient decât folosind presiunea absolută pentru a calcula gradientilor de presiune și presiune relativ la fluctuațiile atmosferice în cadrul valorilor acceptabile ale erorii relative.
Cum să setați presiunea de bază
Acum, că înțelegem ce se utilizează o presiune relativă în rezolvarea problemelor hidrodinamice în COMSOL Multiphysics, devine clar cât de important este de a stabili presiunea de bază este corectă. Este evident că valoarea presiunii de bază de 1 atm este potrivită pentru sistemele care funcționează la o presiune apropiată de presiunea atmosferică. În sistemele cu o presiune foarte înaltă sau joasă, trebuie utilizată valoarea de presiune de bază, care corespunde nivelului de presiune din flux.
De exemplu, în becul unei lampi incandescente convenționale, există argon rare, care împiedică oxidarea filamentului. În modelul de pregătire din galeria de aplicații, valoarea presiunii de bază este dată în funcție de presiunea gazului care umple vasul (50 kPa). În valorile inițiale (valoarea inițială), presiunea relativă definită ca p = 0, ceea ce corespunde la o presiune absolută de 50 kPa, la un nivel de presiune bază predeterminată.
Simularea convecției libere a argonului într-o lampă cu incandescență.
Atunci când simulați sisteme cu presiune foarte scăzută, este important să vă asigurați că mediul poate fi încă considerat solid. Pentru a afla dacă vor fi necesare metode de modelare moleculară pentru modelarea fluxului. este posibil să se calculeze numărul Knudsen, care este egal cu raportul dintre calea medie liberă a particulei și dimensiunea caracteristică a sistemului.
Caracteristici ale reglării presiunii lichidului în COMSOL Multiphysics®: o prezentare generală
În COMSOL Multiphysics, presiunea relativă este utilizată pentru a rezolva problemele hidrodinamice, ceea ce face posibilă îmbunătățirea acurateței calculului câmpului de presiune. Aceasta înseamnă că condițiile inițiale și limită trebuie să fie stabilite folosind valorile relative ale presiunii. În același timp, se utilizează o presiune absolută pentru a calcula densitatea gazului, care se calculează prin adăugarea presiunilor de bază și relative. Pentru sistemele de presiune ridicată sau joasă, presiunea de bază trebuie să fie stabilită în funcție de presiunea medie din sistem.
Trimiteți-le prietenilor: