我在之前的總述部分給出過下面這張示意圖，描述了 Simscape 的流體系統(tǒng)建模所適用的場景?，F(xiàn)在再把它放在這里，稍微修改了描述，希望能更清楚的表達(dá)各個子庫所適用的場景。

本篇展開介紹其中的 Moist Air 子庫，看是否能契合您當(dāng)前的建模需求。

本文使用的模型均為幫助文檔內(nèi)置模型。

濕空氣 Moist Air

和其它流體系統(tǒng)不同的是，Moist Air 系統(tǒng)的流體是多組分氣體。

從下面的 Moist Air 屬性模塊可以看出來，它可以包括三種氣體組分：【Dry Air】, 【W(wǎng)ater Vapor】 以及 【Trace Gas】。模型會跟蹤計算三種氣體組分的變化，以及【W(wǎng)ater Vapor】隨著腔體飽和狀態(tài)而產(chǎn)生的液化與汽化。但自有的 Moist Air 子庫模塊不考慮化學(xué)反應(yīng)。

它最常見用于汽車、飛機(jī)、建筑等暖通空調(diào)系統(tǒng)建模，同時也適用于其它不考慮化學(xué)反應(yīng)的空間一維氣體傳輸/動力模型。

比如下圖是一個飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)（environmental control system，ECS），該系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)客艙壓力、溫度、濕度和臭氧（O3）以維持一個舒適和安全的客艙環(huán)境。

1. 仿真信息

通過仿真，我們可以得到任意端口節(jié)點(diǎn)處的溫度、壓力以及氣體組分信息。

比如上圖環(huán)控系統(tǒng)乘客艙模塊的端口 A：

這些信息是該物理域定義文件里描述的，比如下圖就是內(nèi)置的 moist_air.ssc 文件里定義了剛剛這些物理量。（對，物理域其實(shí)也是 ssc 源文件定義出來的。）

如果你看這個文件，其實(shí)還有流過這個端口節(jié)點(diǎn)處的能量流、物質(zhì)流信息：

這些“流”信息在模塊層級里也提供了，分別以下標(biāo)和各自端口名區(qū)分。

另外，如果該模塊還有腔體屬性（如管路），還將給出腔體內(nèi)部的平均氣體狀態(tài)信息(尾標(biāo) I)，如溫度、比焓、壓力、密度。

以及容腔內(nèi)的相對濕度、各個氣體組分(無量綱)以及腔體內(nèi)汽化/液化的速率(kg/s)：

2. 氣體組分

我們通過 Moist Air Properties 模塊來定義氣體屬性，默認(rèn)值分別是干空氣、水蒸氣以及二氧化碳。

其實(shí)這里的各種氣體成分到底是什么氣體，完全取決于我們在這里定義的氣體屬性。我們可以把【Dry Air】和 【Trace Gas】替換為其它的氣體，把 【W(wǎng)ater Vapor】 替換為其它需要考慮液化的氣體。當(dāng)然，如果把 【W(wǎng)ater Vapor】的飽和壓力設(shè)置的足夠高，那么也可以當(dāng)作第三種不會液化的氣體成分。

因此除了環(huán)控系統(tǒng)， Moist Air 其實(shí)可以用于更多的場景。

比如在下圖這個基于 Moist Air 的燃料電池系統(tǒng)模型里，左右兩側(cè)是兩個獨(dú)立的氣體回路，其中左側(cè)是供氫系統(tǒng)，右側(cè)是供氧系統(tǒng)。

在供氫系統(tǒng)里，三種氣體組分 Dry Air, Water Vapor 以及 Trace Gas 分別被定義為【氮?dú)?、水蒸氣以及氫氣】?/p>

而右側(cè)供氧系統(tǒng)里，三種氣體組分 Dry Air, Water Vapor 以及 Trace Gas 分別被定義為【氮?dú)?、水蒸氣以及氧氣】?/p>

在剛剛的飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)模型里，按照功能需求把 Trace Gas 設(shè)置為臭氧。

3. 液化與汽化

所以實(shí)際上 Dry Air 可以是任意氣體，它之所以叫 Dry Air，是相對于 Water Vapor 來說的。在這個 Moist Air 物理域里，所定義的 Dry Air 不會液化，而 Water Vapor 會液化。

比如當(dāng)具有一定體積的氣體容腔內(nèi)壓力升高或者溫度降低，可能會導(dǎo)致混合氣體中的水蒸氣含量超過了能容納的最大值(過飽和)，此時多余的水蒸氣就會凝結(jié)成液體。所以，Water Vapor 的屬性定義里需要給出水蒸氣與此相關(guān)的屬性，如下圖。

當(dāng)然，這個過程并不是瞬間發(fā)生。因此在具有體積的模塊里，需要給定液化的時間常數(shù) condensation time constant，也就是描述這個多余的水蒸氣液化過程的快慢。

在剛剛的環(huán)控模型里，Mixing Chamber 模塊的相對濕度和冷凝速率如下。

Moist Air 里有體積屬性的模塊如下表。但實(shí)際上也很好分辨，具有有限體積的模塊都有一個 W 端口。

在以前(2024a 及以前)的模型里這種過程是單向的，凝結(jié)的液態(tài)水的質(zhì)量從總的濕空氣網(wǎng)絡(luò)中減去，而不考慮液化的水在一定條件下再汽化回來。因此，通常會使用液化速率信息 W 來搭建排水模型。

比如下圖：

通過 Tank 表征當(dāng)前濕空氣腔體留存的液態(tài)水；

通過 Controlled Mass Flow Rate Source 表達(dá)產(chǎn)生的液態(tài)水的速率；

通過 Controlled Reservoir 表達(dá)產(chǎn)生的液態(tài)水的溫度；

Local Restriction 則模擬通過管路排出冷凝水。

而從目前正在公測的 2024b 版本開始，氣-液過程是雙向的。

R2024b 版本開始，氣體屬性設(shè)置模塊( Moist Air Properties) 的選項(xiàng)：【Enable entrained water droplets】，也就是說，

空氣中的水蒸氣凝結(jié)后可以留在腔體里；

可以跟蹤計算它的擴(kuò)散；

當(dāng)水蒸氣處于欠飽和態(tài)時，它可以再汽化成水蒸氣；

4. 組分控制

在環(huán)控系統(tǒng)里，經(jīng)常會有加濕或者除濕環(huán)節(jié)，從 Moist Air 的仿真角度來說其實(shí)就是增加或者減少某一個氣體組分的量。

因此 Moist Air 子庫里除了提供理想壓力源與流量源之外，還提供了Moisture Source 與 Trace Gas Source，用于實(shí)現(xiàn)剛剛提到的功能。

剛剛提到的飛機(jī)環(huán)控系統(tǒng)里有一個 Catalytic Converter，它在這里的作用是除去臭氧。

在這個模型里，就用到了 Trace Gas Source 模塊，并指定速率為負(fù)值，則表示與它相連的管路里的臭氧組分按照自定的速率被去除。

而為了表達(dá)乘客艙里的乘客模型呼出的濕氣則使用了 Moisture Source 模塊：

5. 壅塞

Moist Air 子庫也模擬一種稱為 Choke(壅塞) 的現(xiàn)象。也就是說，當(dāng)局部流速到達(dá)音速(馬赫數(shù)=1)之后，就會發(fā)生壅塞現(xiàn)象，此處的流速不再會增加，此時質(zhì)量流量和下游壓力無任何關(guān)系。

下圖模擬的是引擎吸氣中通過控制閥門引流一部分到飛機(jī)的環(huán)控系統(tǒng)，用于調(diào)節(jié)客艙溫度、壓力、濕度等等。這里用了一個 PI 模塊來調(diào)節(jié)節(jié)流口 Flow Control Valve，以獲得指定流量。

可以看到：

a. 仿真時當(dāng)節(jié)流口處馬赫數(shù)為 1 后(第三行);

b. 且節(jié)流口面積 AR 不變時（第二行);

c. 背壓波動并不會影響質(zhì)量流量，此處背壓為下游 B 端壓力（第一行紅線)，此時上游密度不變；

d. 質(zhì)量流量第四行。

但我們的很多日常氣體系統(tǒng)的流速可能沒這么高，所以，如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)某個環(huán)節(jié)的流量壓差關(guān)系和預(yù)期的不相符合，可以檢查以下模塊的馬赫數(shù)，看是否因?yàn)椴磺‘?dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)設(shè)置而產(chǎn)生了 Choke(壅塞)。

另外，相連的端口建議使用相同的橫截面積，尤其是氣體高速流動的場合。

6. 其它

Moist Air 也可以和其它物理域網(wǎng)絡(luò)耦合，比如下圖模擬的呼吸機(jī)系統(tǒng)，它通過提供預(yù)設(shè)的低氣體流量來幫助患者呼吸。

這里使用了一個類似液壓缸模塊(圖中 Lungs 模塊)來模擬肺部的呼吸動作。

當(dāng)然，這里并不關(guān)注氣體組分，所以還沒有模擬肺部氧氣和二氧化碳的交換過程。

另外，濕空氣也是氣體，它也可以用來搭建氣動系統(tǒng)，如果需要考慮系統(tǒng)里的冷凝及其帶走的熱量對氣動系統(tǒng)的熱力學(xué)的影響的話。

只不過一般情況下，都不需要考慮這些，所以通常使用 Gas 庫來搭建氣動系統(tǒng)，減少模型運(yùn)算量。

當(dāng)然，物理世界有萬千系統(tǒng)，我們視野有限，不一定接觸到。因此在這里單方向的介紹 Moist Air 子庫的功能，或許它能幫助您解決此刻所面臨的問題，也歡迎您提出和我們討論。