AirballDemo建模流體分析法PPT課件

1、2010年貝加萊學(xué)界聯(lián)盟競(jìng)賽Airball Demo建模流體分析法 隊(duì)名：太工 隊(duì)員：李浩 劉剛 賈耀榮目錄n 模型假設(shè)n 模型分析n 模型建立n 建模結(jié)果n 模型評(píng)價(jià)n 參考文獻(xiàn)模型假設(shè)n 假設(shè)風(fēng)扇工作時(shí)無外界自然風(fēng)干擾n 假設(shè)空氣不可壓縮（密度不變）n 假設(shè)管道中的流體為恒定流(無真空)n 假設(shè)乒乓球沿管道的中心位置上下運(yùn)動(dòng)（不考慮水平受力）n 假設(shè)管道與風(fēng)扇連接良好，風(fēng)扇工作時(shí)接合處無空氣泄漏模型分析n 數(shù)據(jù)分析法：從大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)方法建立數(shù)學(xué)模型n 機(jī)理分析法：從基本物理定律以及系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)來推導(dǎo)出模型n 模型版本： old demo 風(fēng)扇： Y.S. TECH FD2460

2、25EB（無刷直流電機(jī)） 距離傳感器： SHARP GP2D12 （非線性紅外傳感器） 風(fēng)機(jī)空氣乒乓球 思路：對(duì)空氣做文章模型分析n 乒乓球的高度只與自身重力、空氣作用力有關(guān)n 空氣作用力與管道風(fēng)速有關(guān)n 管道風(fēng)速與管道形狀、管道流量有關(guān)n 管道流量與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)（難解決）n 風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)端電壓有關(guān) 以流體流動(dòng)、流體能量、流體受力為主要分析對(duì)象，故名流體分析法。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)全壓風(fēng)機(jī)流量Q管道風(fēng)速V0繞流阻力F風(fēng)機(jī)流動(dòng)損失管路流動(dòng)損失風(fēng)機(jī)泄露流量損失Qh乒乓球重力風(fēng)機(jī)端電壓乒乓球高度輸輸入入輸輸出出210（大氣壓）P3(大氣壓)模型分析感應(yīng)電勢(shì)電機(jī)內(nèi)阻壓降風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速風(fēng)機(jī)全壓風(fēng)機(jī)流量Q管道風(fēng)速V0

3、繞流阻力F負(fù)載轉(zhuǎn)矩風(fēng)機(jī)電流風(fēng)機(jī)出口處空氣的水平速度風(fēng)葉形狀風(fēng)機(jī)流動(dòng)損失風(fēng)機(jī)出口處空氣的軸向速度Vz管道形狀管路流動(dòng)損失葉片面積風(fēng)機(jī)泄露流量損失Qh葉片間隙面積泄露速度Vh風(fēng)機(jī)進(jìn)出口壓強(qiáng)差（）加速度速度乒乓球高度風(fēng)機(jī)端電壓摩擦轉(zhuǎn)矩乒乓球重力管路局部壓頭損失管路沿程壓頭損失輸輸入入輸出輸出乒乓球與管道空氣的相對(duì)速度磁阻轉(zhuǎn)矩模型分析模型建立 本次建模共分為6個(gè)部分，以管路的能量方程和管道中的空氣速度為貫穿對(duì)象，將各個(gè)模型銜接起來，建立了乒乓球高度與風(fēng)機(jī)端電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系，它們包括：n 乒乓球與空氣流相互作用力模型（吹力與管道風(fēng)速）n 管路計(jì)算模型(管道風(fēng)速與風(fēng)機(jī)全壓)n 軸流風(fēng)機(jī)模型（風(fēng)機(jī)全壓與風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)

4、速）n PWM控制電機(jī)模型（風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速與風(fēng)機(jī)電壓）n 乒乓球運(yùn)動(dòng)方程模型（風(fēng)機(jī)電壓與吹力）n 紅外傳感器模型（傳感器輸出信號(hào)與乒乓球高度）模型建立n 乒乓球與空氣流相互作用力模型式中：U0空氣流速 Vt乒乓球速度 n 管路計(jì)算模型式中：PT風(fēng)機(jī)全壓20)(64537. 0tvuF2847. 046622020uuPT模型建立n 軸流風(fēng)機(jī)式中： F乒乓球所受到的豎直向上的吹力（N） n風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速（r/min） k風(fēng)葉的滑移系數(shù)，取0.780.85 風(fēng)機(jī)的流動(dòng)損失總阻力系數(shù)，取1.11.592210) 1(1759. 9總nkF總模型建立n PWM控制電機(jī)模型式中： -占空比 n風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 Ke電動(dòng)勢(shì)

5、常數(shù) 直流電機(jī)：占空比與轉(zhuǎn)速成正比 磁阻轉(zhuǎn)矩：電壓占空比低時(shí)，造成非線性u(píng)nKe24模型建立272526565 .58123n0.10.150.20.250.30.350.40.450.50.550.6-4-2024681012140.220.2540.280.330.380.482.84.255.667電機(jī)電壓占空比與轉(zhuǎn)速擬合曲線模型建立n 乒乓球運(yùn)動(dòng)方程模型 牛頓定律直接推導(dǎo)乒乓球速度方程乒乓球高度方程ttdtmmgtFdttatv00)()()(tdttvth0)()(模型建立 h=108824/(Vout+745)-16.5 式中：h乒乓球?qū)嶋H高度（cm） Vout紅外傳感器輸出電壓（

6、032767）-10510152025303540455063005850430034502860215016801420124010701030950-100102030405001000200030004000500060007000n 紅外傳感器模型傳感器輸出電壓與實(shí)際高度擬合曲線建模結(jié)果建模結(jié)果0.3占空比時(shí)階躍響應(yīng)仿真曲線0.3占空比時(shí)階躍響應(yīng)實(shí)際曲線n 優(yōu)點(diǎn)：以流體力學(xué)三大基本方程為理論依據(jù)，以管道 中的風(fēng)速為貫穿對(duì)象，各模型層層遞進(jìn)，最 終得到模型所要求的結(jié)果，同時(shí)對(duì)結(jié)果進(jìn)行 了分析。n 缺點(diǎn)：1）在模型假設(shè)的條件下建立的模型； 2）為了簡(jiǎn)化模型，在處理數(shù)據(jù)時(shí)忽略了部分 微小量，

7、這會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性； 3）流體力學(xué)知識(shí)至今發(fā)展不完全成熟，很多 公式結(jié)合實(shí)驗(yàn)得出，理論上不能完全證明。模型評(píng)價(jià)參考文獻(xiàn) 1 白擴(kuò)社主編.流體力學(xué)泵與風(fēng)機(jī).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.2 安連鎖主編.泵與風(fēng)機(jī).北京：中國電力出版社，2008.3 馬貴陽主編.工程流體力學(xué).北京：石油工業(yè)出版社，2009.4 葉增明，朱婷婷等.軸流風(fēng)機(jī)葉片切割性能的計(jì)算方法.流體機(jī)械，2009.5 郭金基，張應(yīng)元，謝耀康等.低速風(fēng)洞和漿葉氣流的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究. 中山大學(xué)學(xué)報(bào)，1995.6 Y.S.TECH. FD6025-2.Datasheet.7 Sharp. GP2D12/GP2D15.Datasheet.8 藺小林，蔣耀林編著.現(xiàn)代數(shù)值分析.北京：國防工業(yè)出版社，2004.9 湯蘊(yùn)謬，史乃編著.電機(jī)學(xué).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.10 王兆安，黃俊主編.電力電子技術(shù).北京