[发明专利]一种耦合计算液压金属管路压力、流量和温度的方法

权利要求书

1.一种耦合计算液压金属管路压力、流量和温度的方法，其特征在于：将液压金属管路的工作过程按照时间序列等分为N个计算区间，每个计算区间的时间步长为Δt，计算总时长t_z＝N×Δt，第n个计算区间内包括以下步骤，其中1≤n≤N，且n为整数：

步骤1：计算液压金属管路中油液的物理特性，包括油液的动力黏度μ_n和油液的密度ρ_n：

a、根据油液的动力黏度模型

μn=μ0×10ψnψn=bpΔp+btΔT+bt2(ΔT)2Δp=pw-prefΔT=Tw-Trefpw=pi,n+po,n2Tw=Ti,n+To,n2]]>

计算油液的动力黏度μ_n，其中μ₀为油液初始压力p_ref和油液初始温度T_ref下的油液动力黏度，b_p为压力差对油液动力黏度的一次相关系数，b_t为温度差对油液动力黏度的一次相关系数，b_t2为温度差对油液动力黏度的二次相关系数，p_w为液压金属管路的特征压力，T_w为液压金属管路的特征温度，p_i，n为液压金属管路的进口油液压力，p_o，n为液压金属管路的出口油液压力，初始计算时使用设定值，当n＝1时，p_o，n的初始值取为1bar，当n＞1时，p_o，n的初始值选取为p_o，n-1，T_i，n为液压金属管路的进口油液温度；T_o，n为液压金属管路的出口油液温度，初始计算时使用设定值，当n＝1时，T_o，n的初始值选取为环境温度T_env，当n＞1时，T_o，n的初始值选取为T_o，n-1；

b、根据油液的密度模型

ρn=1/vs,nvs,n=vs0(1+apΔp+ap2(Δp)2+atΔT+at2(ΔT)2+aptΔpΔT)Δp=pw-prefΔT=Tw-Trefpw=pi,n+po,n2Tw=Ti,n+To,n2]]>

计算油液的密度ρ_n，其中v_s，n为油液比容，v_s0为初始压力和初始温度下的油液比容，a_p为压力差对油液比容的一次相关系数，a_p2为压力差对油液比容的二次相关系数，a_t为温度差对油液比容的一次相关系数，a_t2为温度差对油液比容的二次相关系数，a_pt为压力差和温度差对油液比容的联合相关系数；

步骤2：计算液压金属管路的油液流量q_n：

将步骤1得到的油液动力黏度μ_n和密度ρ_n代入油液流量模型

qn=A2(pi,n-po,n)(λnLd+ξ)ρnA=πd24λn=75RenRen<4×1031(1.8lgRen-1.5)24×103<Ren<107Ren=voil,ndρnμnvoil,n=4qnπd2]]>

采用迭代方法计算液压金属管路的油液流量q_n，当n＝1时，q_n的初始值取为1L/min，其中当n＞1时，q_n的初始值选取为q_n-1，A为液压金属管路的截面积，λ_n为液压金属管路的沿程阻力系数，L为液压金属管路的长度，d为液压金属管路的内径，ξ为液压金属管路的局部阻力系数，Re_n为雷诺数，v_oil，n为液压金属管路中油液的平均流动速度；

步骤3：根据步骤2得到的液压金属管路的油液流量q_n以及下游负载特性计算液压金属管路的出口油液压力p′_o，n；

步骤4：计算步骤3中得到的出口油液压力p′_o，n与步骤1和步骤2中使用的出口油液压力p_o，n的差值，若差值的绝对值大于预定误差ε₁时，则重复步骤1至步骤4，并用步骤3计算得到的p′_o，n作为步骤1和步骤2中使用的出口油液压力进行迭代计算，若差值的绝对值小于预定误差ε₁，则将步骤3得到的出口油液压力p′_o，n作为以下步骤中使用的液压金属管路的出口油液压力p_o，n，并继续以下步骤；

步骤5：将经过步骤1至步骤4循环计算后得到的油液动力黏度μ_n、雷诺数Re_n代入换热热流量模型，计算液压金属管路各部分的换热热流量：

a、根据模型

Q·r,n=kr,nAr(T‾n-Ts,n)kr,n=Nur,nλoildNur,n=0.023Ren0.8Proil,n1/3T‾n=12(Ti,n+To,n)Proil,n=μncpoλoil]]>

计算油液与液压金属管路管壁的强迫对流换热热流量其中k_r，n为油液与液压金属管路管壁的换热系数，A_r为油液与液压金属管路管壁的换热面积，为油液的平均温度，T_s，n为液压金属管路管壁的温度，初始计算时使用设定值，当n＝1时，T_s，n的初始值选取为环境温度T_env，当n＞1时，T_s，n的初始值选取为T_s，n-1，Nu_r，n为油液与液压金属管路管壁换热的努赛尔数，λ_oil为油液的导热系数，Pr_oil，n为油液的普朗特数，c_po为油液的比热；

b、根据模型计算液压金属管路管壁与环境的辐射换热热流量其中ε为管壁材料的发射率，σ为黑体辐射常数，A_rad为辐射换热面积；

c、根据模型

Q·exc,n=kexc,nAexc(Ts,n-Tenv)kexc,n=Nuexc,nλairDexcNuexc,n={0.6+0.387Ran1/6[1+(0.559/Prair)9/16]8/27}2Ran=gβn(Ts,n-Tenv)Dexc3v2Prair]]>

计算液压金属管路管壁与环境的自然对流换热热流量其中k_exc，n为液压金属管路管壁与环境的自然对流换热系数，A_exc为液压金属管路管壁与环境的自然对流换热面积，Nu_exc，n为液压金属管路管壁与环境自然对流换热的努赛尔数，λ_air为空气的导热系数，D_exc为换热计算的特征长度，Ra_n为换热计算的瑞利数，Pr_air为空气的普朗特数，g为重力加速度，β_n为空气的体积膨胀系数，且v为空气的运动黏度；

步骤6：将步骤5中得到的和带入温度微分求解模型，计算液压金属管路各部分的温度：

a、根据微分模型

dTon′dt=1mocpo[qnρndhe,n-Q·r,n+T′o,nαVdpo,ndt]dhe,n=cpo(T′o,n-Ti,n)+[2-α(Ti,n+T′o,n)](po,n-pi,n)2ρndpo,ndt=po,n-po,n-1Δt]]>

计算液压金属管路的出口油液温度T′_o，n，其中以T_o，n-1作为微分模型中T′_o，n的计算初值，当n＝1时，以环境温度T_env作为微分模型中T′_o，n的计算初值，m_o为管路内油液的质量，dh_e，n为油液焓的变化，α为油液的体积膨胀系数，V为管路内油液的体积，当n＝1时，p_o，n-1取为1bar；

b、根据微分模型计算液压金属管路的管壁温度T′_s，n，其中以T_s，n-1作为微分模型中T′_s，n的计算初值，当n＝1时，以环境温度T_env作为微分模型中T′_s，n的计算初值，m_s为液压金属管路管壁的质量，c_ps为液压金属管路管壁材料的比热；

步骤7：计算步骤6中得到的液压金属管路的出口油液温度T′_o，n与步骤1，步骤5和步骤6中使用的出口油液温度T_o，n的差值；若差值的绝对值大于预定误差ε₂，则重复步骤1至步骤7，并用步骤7中得到的T′_o，n和T′_s，n作为步骤1至步骤7中使用的T_o，n和T_s，n进行迭代计算，若差值的绝对值小于预定误差ε₂，则将步骤7得到的T′_o，n和T′_s，n作为该计算区间内T_o，n和T_s，n的计算结果；若n＜N则开始第n+1个计算区间的计算，当n＝N停止计算过程。

2.根据权利要求1所述的一种耦合计算液压金属管路压力、流量和温度的方法，其特征在于：步骤3中所述液压金属管路的下游负载为薄壁孔口负载，在第n个计算区间内，根据模型

p′o,n=pt+ρnqn22c2f2]]>

计算液压金属管路的出口油液压力p′_o，n，其中p_t为外部系统油箱的增压压力，c为流量系数，f为薄壁孔口负载的孔口几何面积。