Pipe Flow Module
Simula i fenomeni di trasporto e l'acustica nelle reti di tubazioni con il Pipe Flow Module
Raffreddamento dello stampo a iniezione di un volante: il flusso non isotermo nella tubazione è completamente accoppiato alla simulazione di scambio termico dello stampo (solido) e della parte in poliuretano.
Considerare tutte le variabili di processo con risorse computazionali ridotte
Il Pipe Flow Module è utilizzato per le simulazioni di flusso di fluidi, trasferimento di calore e di massa, transitori idraulici e acustica in reti di tubazioni e canalizzazioni. Può essere facilmente integrato con uno qualsiasi degli altri moduli della suite di prodotti COMSOL® per modellare gli effetti delle tubazioni su entità più grandi, come canne di raffreddamento in monoblocchi o canali di alimentazione e di prodotto collegati a recipienti. Ciò consente di risparmiare risorse computazionali nella modellazione dei processi costituiti da reti di tubazioni, senza impedire l'utilizzo della descrizione completa delle variabili del processo all'interno di queste reti. Le simulazioni dei flussi nelle tubazioni calcolano velocità, pressione, concentrazioni di materiale e distribuzioni di temperatura lungo tubazioni e canali, ma possono anche includere la propagazione delle onde acustiche e l'effetto del colpo d'ariete.
Ideale per modellare flussi in regime incomprimibile
Il Pipe Flow Module consente di modellare il flusso incomprimibile in tubazioni e canali di lunghezza sufficiente per considerare il flusso completamente sviluppato. Utilizza elementi 1D con una componente di velocità media tangente lungo gli elementi, per evitare la mesh 2D o 3D della sezione trasversale del tubo. Questo significa che le variabili modellate sono mediate nelle sezioni trasversali e variano solo nel senso della lunghezza del tubo. Le espressioni già incorporate per i coefficienti di attrito di Darcy soddisfano l'intero regime di flusso, compreso il flusso laminare e turbolento, fluidi newtoniani e non newtoniani, forme o geometrie diverse della sezione trasversale e una vasta gamma di valori di rugosità superficiale relativa. Questi valori possono essere modificati a seconda della loro posizione nella rete o correlati direttamente alle variabili da modellare.
L'attrito non è l'unico contributo alla perdita di carico nelle reti di tubi. Il Pipe Flow Module considera anche gli effetti di gomiti, contrazioni, espansioni, giunti a T e valvole, che sono calcolati attraverso un'ampia libreria di coefficienti di perdita standard del settore. Le pompe possono essere inoltre considerate come dispositivi che accelerano il flusso. Come con qualsiasi interfaccia fisica della suite di prodotti COMSOL, è possibile modificare liberamente le equazioni di base, aggiungere termini di pozzo o sorgente ed esprimere una proprietà fisica come funzione di una variabile qualsiasi del modello. COMSOL Multiphysics® consente anche di importare i dati per descrivere una determinata proprietà del materiale o un parametro di processo, come anche le subroutine programmate in MATLAB®.
Altre immagini:
Un impianto di riscaldamento prevede la circolazione di un fluido in uno stagno. È rappresentato il profilo di temperatura del sistema, insieme alla caduta di pressione.
L'acustica nelle tubazioni è accoppiata a un modello 3D di pressione acustica in un microfono con sonda a tubo.
Transitori di pressione in una tubazione dopo la chiusura improvvisa di una valvola che innesca il fenomeno del colpo d'ariete.
Lo sfruttamento del calore della terra è un metodo energetico efficiente per riscaldare le case dotate di sistemi di convogliamento nel sottosuolo. Questo modello confronta diversi sistemi installati nel sottosuolo con tipiche proprietà termiche di uno strato superiore del suolo in un giardino.
Riscaldamento e raffrescamento a pavimento sono metodi di riscaldamento e raffreddamento per il controllo del comfort termico in ambienti interni usando conduzione, irraggiamento e convezione. Essi offrono la possibilità di avere un riscaldamento più uniforme in una stanza rispetto ai metodi di ventilazione e di radiatori da parete. Questa applicazione simula l'equilibrio tra le esigenze di temperatura e le perdita di carico (costi di gestione) insieme con i costi di costruzione e dei materiali (costi fissi) per diversi materiali e dimensioni del pavimento.
Accoppiamento del flusso nelle tubazioni ad altri tipi di applicazioni e fisiche
La fisica nel Pipe Flow Module descrive la conservazione di quantità di moto, energia e massa nei fluidi all'interno di un impianto di tubazione o canalizzazione. Questi impianti possono essere accoppiati facilmente ad altri che non possono essere descritti con i metodi approssimativi del Pipe Flow Module, ma richiedono una descrizione completa della fisica in 2D o 3D. Il Pipe Flow Module consente di accoppiare i dati degli elementi 1D alle superfici e ai volumi e viceversa, in modo che il trasferimento di flusso o di calore in una rete di tubi possa essere accoppiato a quello che avviene ad esempio in un recipiente 3D con mesh completa e venga risolto contemporaneamente. Inoltre, come con tutti i prodotti basati su una delle fisiche della suite COMSOL, questo accoppiamento può verificarsi tra formulazioni fisiche diverse, così che si possa risolvere altrettanto facilmente una proprietà come lo sforzo termico presente, ad esempio, in un monoblocco dotato di canali di raffreddamento.
Il Pipe Flow Module offre interfacce fisiche specifiche per la modellazione del trasferimento di calore e di massa e delle reazioni chimiche. La rete di tubi può essere incorporata ad esempio in un dominio solido 3D. Nel caso del trasferimento di calore, il modulo calcola il bilancio energetico nell'impianto di tubazione, compresi i contributi derivati dall'interazione con il dominio 3D, che nelle equazioni sono espressi con i termini di source o sink. Ciò avviene automaticamente "dietro le quinte" attivando l'interazione con il materiale solido 2D o 3D nell'interfaccia utente grafica (GUI), in cui è anche possibile selezionare una delle correlazioni disponibili per convezione forzata e naturale nell'ambiente circostante, materiali e spessori di parete dei tubi (inclusi nel Pipe Flow Module). Le interfacce fisiche basate sul trasporto di materiale risolvono il bilancio di massa all'interno dell'impianto e, se sono accoppiate alla descrizione del flusso nelle tubazioni, considerano anche diffusione, convezione, dispersione e reazioni chimiche.
Fisica per l'analisi del colpo d'ariete e dell'acustica nelle tubazioni
Il Pipe Flow Module modella il flusso comprimibile causato dai rapidi transitori idraulici mediante l'introduzione nelle analisi delle proprietà elastiche del fluido e delle pareti solide. Questi effetti possono verificarsi per la rapida chiusura di una valvola e sono conosciuti con il nome di "colpo d'ariete".
La propagazione delle onde acustiche lungo tubi flessibili è un altro fattore che influenza la progettazione, la pianificazione e la costruzione di queste reti. Se combinato con l'Acoustics Module, il Pipe Flow Module è in grado di eseguire le analisi acustiche nei domini della frequenza e del tempo. La fisica risolta con il Pipe Flow Module può essere accoppiata senza soluzione di continuità a qualsiasi altra fisica considerata all'interno della rete di tubi e a qualsiasi fisica del sistema che circonda la rete.
Simulazioni del flusso nelle tubazioni per molti tipi di settori
Il Pipe Flow Module è adatto per tutti i tipi di reti di tubazioni e canalizzazioni percorse da flussi, trasferimento di calore e di massa e onde acustiche. Questi comprendono gli impianti di tubazioni utilizzati in stabilimenti industriali chimici e di processo, centrali elettriche, raffinerie, gasdotti, impianti di ventilazione e di raffreddamento in motori e turbine. Inoltre, è una importante aggiunta alla modellazione che si esegue con COMSOL Multiphysics e con la suite di prodotti aggiuntivi, per ottimizzare i complessi impianti di raffreddamento integrati in turbine, stampi, calchi e scambiatori di calore, impianti di ventilazione per edifici e impianti di riscaldamento geotermico.
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Caratteristiche del Prodotto
- Flussi laminari e turbolenti in reti di tubazioni e canali
- Fattori di attrito di Darcy per tutti i regimi di flusso, per diverse geometrie di sezioni trasversali e per diverse rugosità superficiali
- Estesa libreria di coefficienti di perdita industriali per gomiti, contrazioni, espansioni, giunzioni a T e valvole
- Coefficienti per i flussi indotti da pompe
- Flussi non isotermi accoppiati con il trasferimento termico per tutti i regimi di flusso
- Trasferimento termico con pipe flow e con l'ambiente esterno, inclusa la conduzione attraverso le pareti delle tubazioni, i solidi e convezione naturale e forzata nell'ambiente circostante
- Fluidi newtoniani e non newtoniani
- Trasporto di materia attraverso diffusione, dispersione, convezione e reazione chimica
- Flussi reattivi che accoppiano il trasporto di materia direttamente al flusso in tubazione
- Effetti di colpo d'ariete causati da rapidi transitori idraulici in reti di tubazioni
- Acustica in tubazioni nei domini del tempo e della frequenza *
* Richiede l'Acoustics Module.
Campi di Utilizzo
- Simulazioni di processi chimici
- Reazioni chimiche nelle tubazioni
- Sistemi di raffreddamento
- Sistemi geotermici
- Scambiatori di calore e flange di raffreddamento
- Trasferimento termico nelle tubazioni
- Idraulica
- Lubrificazione
- Trasferimento di massa in tubazioni
- Flussi non isotermi in tubazioni
- Sistemi di tubazioni per raffinazione del petrolio
- Acustica in tubazioni
- Flussi in tubazioni
- Reti di tubazioni in industrie chimiche
- Linee di tubazioni per acqua e petrolio
- Equazioni del colpo d'ariete
Simulation Enables the Next Generation of Power Transformers and Shunt Reactors
L. Jovelli Siemens, Brazil
From power generation to its distribution to end users, power transformers and shunt reactors are used throughout the electrical grid for voltage conversion and to absorb reactive power. At Siemens Brazil in Jundiai, São Paulo, designers are using multiphysics simulation to verify that grid-integrated transformers and shunt reactors can handle ...
Geothermal Heating from a Pond Loop
Ponds and lakes can serve as thermal reservoirs in geothermal heating applications. In this example, fluid circulates underwater through polyethylene piping in a closed system. The pipes are coiled in a slinky shape and grouped onto sleds. The Non-isothermal Pipe Flow interface sets up and solves the equations for the temperature and fluid flow ...
Cooling of an Injection Mold
This model shows how you can use the Non-Isothermal Pipe Flow interface together with the Heat Transfer in Solids interface to model the cooling of a injection molded polyurethane part for a car steering wheel. The equations describing the cooling channels are fully coupled to the heat transfer equations of the mold and the polyurethane part.
Insulation of a Pipeline Section
As oil flows through a pipeline section heat is released due to the work of internal friction forces in the fluid. With good insulation of the pipeline, this generated heat can be used to avoid preheating of the oil, despite the fact that it is to be transported in a cold environment over long distances. This model uses the Non-isothermal Pipe ...
Discharging Tank
This tutorial model illustrates how to calculate the pressure drop and initial flow rate in a pipe system connected to water tank. The Pipe Flow interface contains ready to use friction models accounting for the surface roughness of pipes as well as pressure losses in bends and valves.
Convective Flow in a Heat Exchanger Plate
This example models flow in a microchannel heat exchanger by coupling a Laminar Flow interface in 3D to a Pipe Flow interface. By the use of the Pipe Flow interface to model the flow in the microchannels the problem size is significantly reduced. This model showcases the Pipe Connection feature that automatically connects a 3D and and Pipe Flow ...
Water Hammer
When a valve is closed rapidly in a pipe network it gives rise to a hydraulic transient known as a water hammer. The propagation of these hydraulic transients can in extreme cases cause failures of pipe systems caused by overpressures. This is a model of a simple verification pipe system consisting of a reservoir, a pipe, and a valve. The valve ...
Organ Pipe Design
This app demonstrates the following: * Using a Java® utility class for combining several waveforms and for playing sound * Using tables for presenting results The app allows you to study the design of an organ pipe and then play the sound and pitch of the changed design. The pipe sound includes the effects of different harmonics with different ...
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