Pipe Flow Module

Progettazione e analisi di sistemi di tubazioni

Il Pipe Flow Module, prodotto aggiuntivo di COMSOL Multiphysics®, è utilizzato per simulare il campo di moto dei fluidi, il trasferimento di calore e di massa, l'acustica e il comportamento meccanico dei tubi. In COMSOL Multiphysics®, i tubi sono rappresentati come segmenti 1D, riducendo in modo significativo le risorse computazionali rispetto alla meshatura e al calcolo del flusso attraverso tubi 3D. Questo approccio consente di progettare e ottimizzare applicazioni complesse composte da tubazioni, come i sistemi di ventilazione degli edifici, le condutture dell'industria petrolifera, le reti di tubazioni per applicazioni geotermiche e i sistemi di distribuzione dell'acqua.

Oltre a modellare gli effetti all'interno dei tubi, i segmenti 1D possono essere incorporati in volumi 3D più grandi per modellare gli effetti sull'ambiente circostante. Ad esempio, è possibile modellare i tubi di raffreddamento nei blocchi motore e negli stampi a iniezione o i tubi di riscaldamento nelle applicazioni geotermiche. Il Pipe Flow Module può essere combinato con altri moduli della suite di prodotti COMSOL per espandere ulteriormente le capacità multifisiche di modellazione del flusso laminare e turbolento, della meccanica dei solidi e degli shell, dell'acustica di pressione e altro ancora.

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Modello di volante 3D che mostra la temperatura nella tabella dei colori di una termocamera.

Modellazione efficiente del flusso nelle tubazioni

I condotti sono oggetti con un elevato rapporto di forma, per cui l'uso di linee e curve piuttosto che di elementi di volume consente di modellare i sistemi di tubazioni senza dover risolvere il campo di flusso completo. Il software risolve le variabili medie della sezione trasversale lungo le linee e le curve nella modellazione complessiva dei processi costituiti da reti di tubazioni, consentendo comunque di considerare una descrizione completa delle variabili di processo all'interno di queste reti.

Il Pipe Flow Module fornisce funzionalità specifiche per definire la conservazione della quantità di moto, dell'energia e della massa del fluido all'interno di tubi o canali. Le perdite di pressione lungo il percorso di un tubo sono descritte utilizzando i fattori di attrito e i valori relativi di rugosità superficiale. Sulla base di questa descrizione, è possibile modellare la portata, la pressione, la temperatura e la concentrazione nei tubi.

Costruire modelli monofisici e multifisici

Puoi modellare fenomeni fisici multipli in COMSOL Multiphysics® o risolvere un problema di fisica singola nello stesso modo.

Vista in primo piano di un sistema di tubazioni che mostra la caduta di pressione.

Svuotamento di serbatoi

Calcolare la caduta di pressione e la portata iniziale nei serbatoi.

Vista in primo piano di un modello di collettore di calore che mostra la temperatura.

Sistemi geotermici

Modellare sistemi geotermici e le interazioni con l'ambiente circostante.

Vista in primo piano di un modello di scambiatore di calore che mostra la distribuzione della pressione.

Scambiatori di calore

Modellare il flusso e il trasferimento di calore degli scambiatori di calore.

Vista in primo piano di un sistema di tubazioni che mostra la velocità acustica.

Equazioni del colpo d'ariete

Analizzare la propagazione dei transitori idraulici.

Vista in primo piano di un modello di microfono sonda a tubo che mostra la risposta alla pressione.

Sonde microfoniche a tubo

Studiare la sensibilità dei microfoni con accoppiamenti 1D e 3D.1

Vista in primo piano di un modello di volante che mostra la temperatura.

Sistemi di raffreddamento

Modellare il raffreddamento dei pezzi stampati a iniezione.

Vista in primo piano di un modello di rete di tubature con due generatori di calore.

Reti di tubazioni

Ottimizzare il layout delle reti di tubazioni per massimizzare l'efficienza.2

Grafico 1D che mostra l'isolamento in una tubazione.

Isolamento

Simulare il trasporto di petrolio negli oleodotti.

Vista in primo piano di un modello di scambiatore di calore che mostra la pressione e la velocità.

Flussi laminari e turbolenti

Combinare domini di flusso di tubi con domini di fluidi 3D per flussi laminari e turbolenti.3

Vista in primo piano di un modello di anello di tubazioni in uno stagno che mostra la temperatura.

Flusso non isotermo

Risolvere simultaneamente flusso, pressione e temperatura.

  1. Richiede Acoustics Module
  2. Richiede Optimization Module
  3. Richiede CFD Module o Heat Transfer Module

Caratteristiche e funzionalità del Pipe Flow Module

Il Pipe Flow Module è un complemento agli altri moduli aggiuntivi con funzionalità di analisi fluidodinamica.

Vista in primo piano delle impostazioni di Pipe Flow e di un modello di trasporto del liquame nella finestra Graphics.

Fluidi in tubazioni

Il Pipe Flow Module contiene interfacce fisiche integrate che definiscono la conservazione della quantità di moto, dell'energia e della massa del fluido all'interno di un sistema di tubi o canali. L'interfaccia Pipe Flow è utilizzata per calcolare i campi di velocità e pressione in tubi e canali di forme diverse. L'interfaccia approssima il profilo di flusso del tubo mediante ipotesi 1D in segmenti curvi o linee. Queste linee possono essere disegnate in 2D o 3D e rappresentano semplificazioni di tubi cavi.

Per gli utenti del CFD Module e dell'Heat Transfer Module, è disponibile un accoppiamento multifisico Pipe Connection per i casi in cui i sistemi di tubazioni si aprano a un volume di fluido maggiore. Questa funzione accoppia un segmento di tubo 1D (modellato con l'interfaccia Pipe Flow) con un flusso monofase 3D per garantire la continuità del flusso di massa e della pressione, indipendentemente dalla direzione.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Wall Heat Transfer evidenziato e un sistema geotermico nella finestra Graphics.

Trasferimento di calore

L'interfaccia Heat Transfer in Pipes è utilizzata per modellare il trasferimento di calore per conduzione e convezione in tubi e canali di forme diverse, dove la velocità e la pressione del fluido sono note a priori. L'interfaccia utilizza il bilancio energetico 1D per determinare i profili di temperatura in segmenti di curva o linee. Queste linee possono essere disegnate in 2D o 3D e rappresentano semplificazioni di tubi cavi. La funzionalità per la modellazione del trasferimento di calore delle pareti, comprese le pareti multistrato e i rivestimenti, è inclusa come opzione. L'interfaccia Nonisothermal Pipe Flow estende questa interfaccia fisica fornendo equazioni per calcolare i campi di velocità e pressione quando non sono noti. Descrizioni più approfondite del trasferimento di calore, come i modelli di flusso turbolento 3D o i problemi che coinvolgono l'irraggiamento da superficie a superficie, sono disponibili nell'Heat Transfer Module.

Vista in primo piano delle impostazioni di Fluid-Pipe Interaction e di un modello di rete di tubazioni nella finestra Graphics.

Analisi meccanica dei tubi

L'interfaccia Pipe Mechanical è utilizzata per calcolare le sollecitazioni e le deformazioni in tubi con carichi quali la pressione interna, le forze di giunzione e le forze di trascinamento assiale. L'accoppiamento multifisico Fluid-Pipe Interaction, Fixed Geometry può essere utilizzato per modellare i carichi indotti dal flusso nei tubi, come le forze di pressione e di trascinamento, le forze centrifughe nei tubi curvi e i carichi del fluido nelle curve e nelle giunzioni. Con il modulo aggiuntivo Structural Mechanics Module, è disponibile un nodo multifisico Structure-Pipe Connection per accoppiare le interfacce Structural Mechanics con l'interfaccia Pipe Mechanics.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Water Hammer evidenziato, la finestra Settings corrispondente e un sistema di tubazioni nella finestra Graphics.

Analisi del colpo d'ariete

La chiusura rapida di una valvola in una rete di tubazioni dà origine a un transitorio idraulico noto come colpo d'ariete. La propagazione di questi transitori idraulici può, in casi estremi, causare sovrapressioni che portano a guasti nei sistemi di tubazioni. L'interfaccia Water Hammer del Pipe Flow Module può essere utilizzata per modellare il flusso comprimibile provocato da transitori idraulici rapidi, tenendo conto delle proprietà elastiche sia del fluido che dell'alta parete.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Transport of Diluted Species in Pipes evidenziato e un modello di tubo nella finestra Graphics.

Trasporto di specie chimiche

Grazie alla possibilità di modellare il trasferimento di composti chimici diluiti in fluidi che scorrono attraverso tubi sottili, il Pipe Flow Module consente di modellare reazioni chimiche complesse. Ciò può includere il trasferimento di massa, la cinetica chimica, il trasferimento di calore e il calcolo delle perdite di carico nello stesso modello.

L'interfaccia Transport of Diluted Species in Pipes risolve un'equazione di bilancio di massa per le tubazioni al fine di calcolare la distribuzione della concentrazione di un soluto in una soluzione diluita, considerando la diffusione, la dispersione, la convezione e le reazioni chimiche.

Vista in primo piano delle impostazioni delle Pipe Properties e di un modello di scambiatore di calore nella finestra Graphics.

Modelli di attrito

I campi di flusso, pressione, temperatura e concentrazione attraverso le sezioni trasversali dei tubi sono modellati come quantità medie della sezione trasversale, che variano solo attraverso la lunghezza dei tubi e dei canali. Per il flusso monofase, le perdite di pressione attraverso la lunghezza di un tubo o in un componente del tubo sono descritte utilizzando espressioni del fattore di attrito.

I modelli di attrito disponibili per i fluidi newtoniani includono Churchill, Wood, Haaland, Von Karman e Swamee-Jain. Quando si seleziona uno di questi modelli di attrito, i dati di rugosità superficiale possono essere selezionati da un elenco predefinito.

Per i fluidi non newtoniani in tubi di sezione circolare, sono disponibili i modelli di attrito Irvine e Stokes per i fluidi Power-law, Darby per i fluidi Bingham e Swamee-Aggarwal per i fluidi Herschel-Bulkley. Per i fluidi non newtoniani in tubi di sezione non circolare, è possibile inserire un valore o un'espressione per il fattore di attrito Darcy.

Vista in primo piano delle impostazioni del raccordo a T e due finestre Graphics che mostrano un modello di rete di tubazioni.

Giunzioni, ingressi, valvole, curve e pompe

Per tenere conto delle correlazioni di variazione improvvisa della pressione per gli elementi comuni delle reti di tubazioni, il Pipe Flow Module include funzioni per introdurre perdite di pressione aggiuntive dovute all'attrito turbolento irreversibile in un punto associato a curve, valvole, pompe oppure contrazioni o espansioni in un sistema di tubazioni. È disponibile una funzione Inlet per impostare le condizioni di ingresso della velocità, della portata volumetrica o della portata massica che descrivono il flusso del fluido.

Oltre alle perdite di carico continue per attrito lungo i tratti di tubo, le perdite di carico dovute alle variazioni di quantità di moto nei componenti sono calcolate attraverso un'ampia libreria di coefficienti di perdita standard del settore. Le perdite per attrito nelle giunzioni dei tubi sono caratterizzate da molte variabili e le geometrie possono differire per angoli, sezioni trasversali e numero di rami. Il Pipe Flow Module offre una varietà di tipi di giunzione che possono agire come una suddivisione o una giunzione, come la giunzione a T, la giunzione a Y e la giunzione a N, per specificare le perdite aggiuntive dovute all'attrito turbolento irreversibile.

Vista in primo piano delle impostazioni di Pipe Flow e del modello di un sistema di condotte nella finestra Graphics.

Fluidi non newtoniani e flussi multifase

Per la modellazione del flusso monofase, il fluido può essere caratterizzato in base alla sua risposta e alle azioni degli sforzi di taglio. I fluidi newtoniani hanno una relazione lineare tra la velocità di taglio e lo sforzo di taglio. Nel caso di fluidi non newtoniani, la relazione tra la velocità di taglio e le sollecitazioni di taglio può essere non lineare. Il modello di fluido plastico Bingham è disponibile per descrivere i fluidi viscoplastici che hanno una tensione di snervamento. Per i fluidi che si assottigliano al taglio e per quelli che si ispessiscono al taglio, è disponibile il modello di fluido Power law. Il modello di fluido Herschel-Bulkley è utilizzato per descrivere il comportamento reologico dei fluidi non newtoniani e per simulare il campo di moto di fluidi che presentano un comportamento viscoplastico. Con i modelli di fluidi non newtoniani è possibile modellare fenomeni come l'acqua e le sospensioni minerali.

Il tipo di fluido newtoniano ha anche due opzioni per i gas-liquidi: il Gas-Liquid, friction factor multiplier, che modifica il fattore di attrito Darcy newtoniano monofase, e il Gas-Liquid, effective Reynolds number, che utilizza una viscosità effettiva e corretta per calcolare il numero di Reynolds nei calcoli delle perdite di pressione. Il flusso bifase gas-liquido è un fenomeno comune nell'industria nucleare, petrolifera e della refrigerazione, dove le miscele di gas vengono trasportate in sistemi di tubazioni.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Acoustic-Pipe Acoustic Connection evidenziato e un sistema di tubi nella finestra Graphics.

Propagazione delle onde acustiche

La propagazione delle onde acustiche lungo le tubazioni flessibili è un fattore che contribuisce alla progettazione, alla pianificazione e alla costruzione di queste reti. Le interfacce Pipe Acoustics possono essere utilizzate per la modellazione 1D della propagazione delle onde sonore nei sistemi di tubazioni.

Con il modulo aggiuntivo Acoustics Module è possibile eseguire analisi acustiche da 3D a 1D sia nel dominio della frequenza che del tempo. Per calcolare la propagazione delle onde acustiche nei fluidi in condizioni di fondo quiescente, è disponibile l'interfaccia Pressure Acoustics, Frequency Domain per le analisi nel dominio del tempo e l'interfaccia Pressure Acoustics, Transient per le simulazioni transitorie.

L'Acoustics Module fornisce anche un accoppiamento multifisico Acoustic-Pipe Acoustic Connection per combinare le interfacce Pressure Acoustics con le interfacce Pipe Acoustics nelle simulazioni nel dominio della frequenza e del tempo. L'accoppiamento è definito tra un punto dell'interfaccia di acustica dei tubi e un contorno dell'interfaccia di acustica della pressione.

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