如何描述具有不同操作的连续生产线上的介质

Question

我想描述一条连续的生产线，该生产线具有介质流和不同的工艺单元。介质从一个单元流出就是流入下一个单元。介质通常可以通过流速、压力和多种物质的浓度来描述。一组核心物质通过整个生产线，但每个单元可能需要考虑一些额外的物质。最简单的方法是有一个通用的介质定义，并在不相关的操作单元中保持物质为零。我认为，改变每个单元的媒体描述以避免多个零变量会更简洁实用。

那么，我们Modelica如何描述核心媒体组件从一种媒体到另一种媒体的翻译呢？并且我们希望保持连接器"；"平衡"；。

让我们来看一个基本的例子。饲料箱通过管道连接到收割箱。然后给料罐具有介质组分A和B，而收获罐具有组分B和C。介质的自适应在管道模型中进行。下面的代码在JModelica和OpenModelica中都可以工作，并且不会引起任何编译器的抱怨。我仍然怀疑这种方法是否合理？

package DEMO_v52
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
//     Interfaces  
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
partial package MediumBase
constant String name                                   "Medium name";
constant Integer nc = 1                                "Number of substances";
replaceable type Concentration = Real[nc]              "Substance conc";        
end MediumBase;
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
//     Media specified  
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
package MediumAB 
extends MediumBase
(name="Two component medium A, B",
nc=2);
constant Real[nc] mw = {10, 20}                        "Substance weight";  
constant Integer A = 1                                 "Substance index";
constant Integer B = 2                                 "Substance index";
end MediumAB;
package MediumBC 
extends MediumBase
(name="Two component medium B, C",
nc=2);
constant Real[nc] mw = {20, 30}                        "Substance weight";  
constant Integer B = 1                                 "Substance index";
constant Integer C = 2                                 "Substance index";
end MediumBC;
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
//     Equipment dependent on the medium but written in a general way 
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
package EquipmentLib

import DEMO_v52.MediumAB;
import DEMO_v52.MediumBC;       
connector LiquidConAB
Real p                                              "Pressure"; 
flow Real F (unit="m3/s")                           "Flow rate";
stream MediumAB.Concentration c                     "Substance conc";
end LiquidConAB;
connector LiquidConBC
Real p                                              "Pressure"; 
flow Real F (unit="m3/s")                           "Flow rate";
stream MediumBC.Concentration c                     "Substance conc";
end LiquidConBC;
model PipeType
LiquidConAB inlet;
LiquidConBC outlet; 
parameter Real area = 1;
equation
inlet.F = -outlet.F;
outlet.F = area^2*(outlet.p - inlet.p);            // Linearized Bernoulli equation         
outlet.c[1] = inStream(inlet.c[2]);
outlet.c[2] = 0;                                   // Reduction of media components 
inlet.c[2] = inStream(outlet.c[1]);
inlet.c[1] = 0;                                    // Reduction of media components
end PipeType;
model FeedtankType
LiquidConAB outlet;                                  
parameter Real p = 0.1                              "Pressure"; 
parameter Real V_0 (unit="m3") = 100                  "Initial feed volume";         
parameter Real[MediumAB.nc] c_in (each unit="kg/m3") 
= {1.0*k for k in 1:MediumAB.nc}        "Feed inlet conc";                        
Real V(start=V_0, fixed=true, unit="m3")            "Feed volume";
equation 
for i in 1:MediumAB.nc loop
outlet.c[i] = c_in[i];
end for;
outlet.p = p;
der(V) = outlet.F;               
end FeedtankType;
model HarvesttankType
LiquidConBC inlet;
parameter Real p = 0.0                             "Pressure";                      
parameter Real V_0 (unit="m3") = 1.0                 "Initial harvest liquid volume";
parameter Real[MediumBC.nc] m_0 
(each unit="kg/m3") = zeros(MediumBC.nc)     "Initial substance mass";
Real[MediumBC.nc] m 
(start=m_0, each fixed=true)                 "Substance mass";
Real[MediumBC.nc] c                                "Substance conc"; 
Real V(start=V_0, fixed=true, unit="m3")             "Harvest liquid volume";
equation
inlet.p = p;
inlet.c = c;
der(V) = inlet.F;
for i in 1:MediumBC.nc loop
der(m[i]) = actualStream(inlet.c[i])*inlet.F;
c[i] = m[i]/V;
end for;               
end HarvesttankType;
end EquipmentLib;

//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
//     Example of a system 
//  ---------------------------------------------------------------------------------------------
model Test
EquipmentLib.FeedtankType feedtank;
EquipmentLib.HarvesttankType harvesttank;
EquipmentLib.PipeType pipe;
equation
connect(feedtank.outlet, pipe.inlet);
connect(pipe.outlet, harvesttank.inlet);
end Test;
end DEMO_v52;

在我的直接应用中，我不需要对流动可逆性进行建模，如果工艺单元之间的物质数量发生变化，则需要特别小心。流动可逆性的处理是使用Modelica流概念的一个重要动机。尽管我不关注流的可逆性，但我通常还是希望继续使用流的概念。但是，这一概念的使用是否恰当？

如上所述，替代方法是为所有工艺装置制定一个通用介质定义，然后描述这些物质在大多数装置中不受影响。这引入了许多类型为dz_i/dt=0的状态z _i，不仅让人分心，而且可能给数值求解器带来负担，但我不太确定。有人能在这里确认或拒绝我的担忧吗？

Modelica标准库如何满足连续生产线中对介质不同细节的需求？

在一个更现实的例子中，你可能有越来越多的物质来描述生产线的下游。例如，与质量相关的物质在最后通常比在开始时更多。在生产初期引入对此类物质的描述是很尴尬的，因为这些物质不相关，而且会被描述为零。

Answer 1

如果可能的话，我会采用"标准化"的方式来使用基于FluidPort连接器的现有管道、泵箱型号等。

可能，最大的挑战是创建一个包含过程中所需所有不同物质的介质模型。然而，如果流体通常表现得像液态水(密度、比焓等)，并且沿线的过程仅改变"；物质"；在不显著影响液体行为的情况下，你可以考虑利用介质的微量物质特性，创造一种基于水的新介质。例如水处理计划：

package DHWater "District heating water with trace substances for desalination plant"
extends Modelica.Media.Water.ConstantPropertyLiquidWater(extraPropertiesNames
={"solids","anions","cations","carbonDioxide","oxygen"});
end DHWater;

在MSL边界组件中，您应该指定微量物质矢量C的内容，在您自己的组件模型(蒸煮器、过滤器等)中，您可以使用相应的方程修改C_outflow。标准管道、泵等只会传递微量物质。

Answer 2

这个问题有几个方面，我认为在混合媒体的情况下，如何思考流概念的影响存在一些不确定性，而这并不是真正为之设计的。媒体可能比上面用于说明问题的例子复杂得多。下面我试着总结一下我从你和其他一些有见识的人那里得到的东西。

1. 这里明确支持"；"安全"；Hans和Rene Just给出的建议，为生产线上的许多工艺单元制定一个通用的介质定义，尽管有些物质会一直为零
2. 这些"；零物质"；通常很小，但可能需要分析。在一些模型中；"零物质"；成为显著的计算负担
3. 在某些应用程序中，也有一种传统，即使用不同的介质并构造适配器代码，以允许在具有不同介质定义的单元之间传输介质，正如Rene Just所描述的那样。为了允许可逆流，您需要仔细设计适配器代码以进行适当的近似。对于具有相同介质的设备，流概念以更精确的方式自动处理可逆流
4. 在可以保证没有可逆流的应用程序中，适配器代码可能会被简化。特别是对于不可压缩的水和微量物质的介质，就像我上面的例子。这是我一直在寻找的一些理论指导