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。現(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、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，物理域其實也是 ssc 源文件定義出來的。）

如果你看這個文件，其實還有流過這個端口節(jié)點處的能量流、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【氮氣、水蒸氣以及氫氣】。

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【氮氣、水蒸氣以及氧氣】。

在剛剛的飛機環(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：【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，用于實現(xiàn)剛剛提到的功能。

剛剛提到的飛機環(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)，看是否因為不恰當(dāng)?shù)膮?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。