在科技日新月异的当下，供氧系统的设计与性能评估在航空航天、医疗设备等领域显得尤为关键。HyPneu软件，凭借其强大的功能、显著的优势及广泛的适用场景，为供氧系统仿真领域提供了最有力的工具。

       HyPneu软件拥有丰富元件库，涵盖储气罐、减压阀等关键组件，支持自定义参数设置，确保精准模拟。尤其能够模拟人体呼吸过程，这一功能在供氧系统仿真中至关重要，极大地提高了仿真的准确性和效率。同时，HyPneu软件界面简洁明了，操作便捷，初学者也能迅速上手，为用户提供及时有效的支持。

       某航空公司需评估其新型供氧系统在不同海拔高度下的性能。需要利用HyPneu软件搭建与实际系统高度一致的仿真模型，并模拟飞机在不同高度下的供氧情况。

       通过搭建的仿真平台，仿真结果显示，在海拔0m时，氧气流量约为20SLM，空气流量约为40 SLM，混合腔氧气含量为47.3%。随着海拔升高，空气流量逐渐减少，混合腔氧气含量逐渐增加。在海拔8000m时，几乎只吸入纯氧气，混合腔氧气含量高达96.2%。此外，通过观察高压氧气瓶压力变化，设计人员进一步了解了供氧系统的稳定性和耐用性。

       根据航空供氧系统原理，在HyPneu软件中的元件库中找到合适的元件模型（如储气罐、减压阀、节流阀、单向阀等），来搭建供氧系统仿真模型。HyPneu软件的元件库如图1-1中红框中所示，将所需的元件选中后，用鼠标从库中拖出到空白区域，并用鼠标点击元件的端口连接各个气动元件之间的管路即可。

                      图1-1 HyPneu软件建模环境

       在HyPenu软件中建立供氧系统仿真模型如图1-2所示。模型主要储气罐、减压阀、开关阀门、节流阀、气动缸元件、单向阀等元件构成。

                                               图1-2 供氧系统仿真模型

       该仿真模型中，用气动缸的活塞运动来模拟人体呼吸动作，即：给气动缸设置信号来控制其活塞周期性往复运动，造成气体混合腔的压力变化，模拟人体吸入氧气、呼出废气的过程。储气罐中的高压氧气经过减压阀降低压力后，再经过节流阀控制流量，持续供给气体混合腔。当使用人员吸气时，负压也会使一部分空气通过单向阀吸入气体混合腔，同时与氧气混合，形成一定氧浓度的混合气体供给人员使用，呼气时腔内气体从另外一个单向阀排入大气中。

       该模型主要关心的变量为：高压氧气瓶的压力Ph，提供的氧气流量Q1，吸入的空气流量Q2，气体混合腔的压力Pc以及氧气浓度。另外还要考虑在不同高度环境下供氧系统的性能变化。

      原理图搭建好以后，就可以进行参数输入。选中某个元件，例如高压氧气瓶，其下方就会出现一些按钮，如图1-3中左图所示。点击这些按钮可以完成参数输入、初始条件设置和查看帮助文件等。点击“DB”按钮调出参数输入对话框，如图3中右侧图所示，在参数输入界面中，输入该元件的参数，例如储气瓶的容积等。

  图1-3 参数输入过程

       逐一完成储气瓶、减压阀、开关阀、节流阀等元件的参数输入，主要的参数如下：

       1) 高压储气瓶，容积：1 L，初始压力：21 MPa

       2) 减压阀，减低压力至：0.5MPa~0.56MPa

       3) 气动缸，活塞直径10cm，每次行程为12.7cm，容积变化为1L

       通过加入循环的信号（SI4250）来设置人体呼吸过程，如图1-4（a）图所示。控制气动缸往复运动，1分钟往复运动30次，即呼吸量为30L/min。如果有更精确的呼吸规律曲线，也可以通过修改图1-4中（a）图红框的信号元件来模拟。

  （a）设置人体呼吸规律    

 

（b）设置环境大气压

       软件中，元件SP9100表示环境的气压，如图1-4中（b）图所示。可以通过设置其气压值来模拟不同海拔高度时的气压。

       根据相关资料，0m--10000m的海拔的大气压值如下表所示，仿真中分别选取高度为0m、4000m和8000m高度的气压作为环境气压，来给元件SP9100输入表压参数（注：HyPneu中显示和设置的压力均为表压）。

       虽然供氧节流阀、吸气、呼气的单向阀的参数对氧气流速、呼吸阻力等有重要影响，但由于缺乏参数，所以暂时根据经验进行合理假设。

       模拟海拔0 m，设置环境气压为0 bar（表压），进行仿真，仿真时间为10s，得到的仿真结果如图2-1至2-4所示。图2-1所示的气动缸活塞往复运动，活塞伸出和收回各需要1s，一个往复时间为2s。若果有精确的人体呼吸规律曲线，可以改变此活塞运动规律来调整。

图2-1 模拟呼吸的活塞位移曲线

       图2-2所示为正常大气压环境下的呼气压力曲线，该曲线与活塞运动曲线对应，活塞伸出时为吸气，腔体压力降低，最低值约为-250Pa，活塞压缩时为呼气，腔体压力升高,压力约为250Pa。

图2-2 呼吸时的压力

图2-3 氧气瓶压力P1a（蓝色）和减压阀压力P2a（红色）

       图2-3显示高压氧气瓶的压力P1a以及减压阀后压力P2a。氧气瓶在持续供氧时压力会逐渐降低，只是由于仿真时间较短（10s），曲线上显示不明显。减压阀后的压力在氧气瓶内气体消耗完之前始终保持不变。

       图2-4显示了供给的氧气流量Q1a和吸入的空气流量Q2a曲线，注意：Q1a和Q2a在软件中的单位均为SLM，即转换为20摄氏度1大气压下的标况流量。可以看出，氧气流量约为Q1a=20 SLM，空气流量约为Q2a=40 SLM，考虑到空气中本身的含氧量21%，所以吸气时混合腔的氧气含量为：（20+40*21%）/（20+40）*100%=47.3%。

图2-4 氧气流量Q1a（红色）和空气流量Q2a（蓝色）曲线

       

       模拟海拔4000m和8000m的情况，设置环境大气压分别为-0.396bar（表压）和-0.656bar（表压），进行仿真，仿真时间为10s，得到的仿真结果如图2-5至2-6所示。

图2-5 海拔4000m时氧气流量Q1b（红色）和空气流量Q2b（蓝色）

图2-6 海拔8000m时氧气流量Q1b（红色）和空气流量Q2b（蓝色）

       从图2-5可以看出，海拔4000m时，氧气流量恒定为Q1b=20SLM，空气流量为Q2a=17SLM，考虑到空气中本身的含氧量21%，所以吸气时混合腔的氧气含量为（20+17*21%）/（20+17）*100%=63.7%。

       从图2-6可以看出，海拔8000m时，氧气流量恒定为Q1b=20SLM，空气流量约为Q2a=1SLM，只吸入很少的空气。考虑到空气中本身的含氧量21%，所以吸气时混合腔的氧气含量为（20+1*21%）/（20+1）*100%=96.2%，几乎只有纯氧气。

       在仿真结果中，我们观察到了一个引人注意的现象：无论海拔气压如何变化，氧气的流量竟然保持基本恒定。同时通过软件的动态仿真分析，我们揭示了这一现象背后的原因。

       原来，当下游气压在0 bar至1 bar（绝压）范围内变化时，与上游压力0.56MPa相比，这一变化范围显得相对微小。因此，无论环境气压如何波动，下游压力与上游压力的比值始终小于临界值0.528。在这种情况下，节流孔处的流速会迅速达到声速，进而形成饱和的壅塞流。这种壅塞流的出现，意味着下游压力的变化对质量流量（或在标准状况下的体积流量）不再产生影响。换句话说，即便下游气压有所波动，氧气的流量也能保持稳定。

       可见通过软件的动态仿真功能，我们能够定量地描绘出气压与流量的变化曲线。这些宝贵的数据不仅为我们提供了深入的产品性能验证依据，更为产品的后续改进和优化提供了有力的数据支持。

       将仿真时间增加到1000s，得到的氧气瓶的压力和流量曲线如图2-7至2-9所示。从图2-7可以看成，0m、4000m和8000m时高压氧气瓶的压力变化情况基本一致。图2-8是图2-7的局部放大图，可以看出，约经过630s（10分钟半）气瓶压力从21MPa降至0.1MPa。

图2-7 高压氧气瓶的压力变化曲线

图2-8 高压氧气瓶的压力变化曲线（局部放大）

图2-8 高压氧气瓶的流量变化曲线（局部放大）

       从图2-9的流量放大图可以看出，超过620s以后，0m、4000m和8000m时高压氧气瓶输出流量才有明显区别，不过此时氧气瓶的输出流量已降低10SLM以下，都已无法满足供氧要求。由此我们得到了氧气瓶在不同条件下的可使用时间。

       此外，我们还能够模拟各种气瓶参数对应的使用时间，为制定供氧系统的使用要求以及确保其可靠性提供参考数据。从而为相关应用提供更为精准的数据支持和决策依据。

       通过以上HyPneu中建立供氧系统仿真示例，可以看出，HyPneu软件可以提供气动系统的虚拟仿真环境，在HyPneu中能够非常便捷地建立供氧系统模型，求解供氧系统各处的压力、流量等性能变化曲线，还可以考虑海拔高度、环境大气压等影响因素，能为设计人员提供良好的系统设计、计算和校验的平台，可大大提高设计的能力与效率。

       此外，本案例的潜力远不止于此，它还能够通过纳入温度和湿度等环境变量，以及调整呼吸频率和呼吸气量来模拟不同肺活量的使用者，从而实现更高精度的仿真效果，紧密贴合实际情况。

       借助HyPneu软件在气动分析领域的卓越性能，设计人员将获得一个集系统设计、精确计算与高效校验于一体的强大平台。这不仅极大提升了设计工作的能力与效率，更为设计创新提供了坚实的支撑。