Модуль потока труб

Проектирование и анализ трубопроводных систем

Модуль потока в трубах, дополнительный продукт к COMSOL Multiphysics, используется для моделирования потока жидкости, теплопередачи и массы, а также акустики, а также механического поведения труб. В COMSOL Multiphysics трубы представлены как одномерные сегменты, что значительно снижает вычислительные ресурсы по сравнению с сеткой и вычислением потоков через 3D-трубы. Этот подход позволяет проектировать и оптимизировать сложные системы трубопроводов, включая вентиляционные системы в зданиях, трубопроводы в нефтяной промышленности, трубопроводы для геотермальных приложений и системы распределения воды.^®®

Помимо моделирования эффектов внутри труб, 1D-сегменты могут быть встроены в более крупные 3D-объёмы для моделирования воздействия на окружение труб. Например, вы можете моделировать охлаждающие трубы в блоках двигателя и в инжекционных или нагревательных трубах в геотермальных приложениях. Модуль потока труб может быть комбинирован с другими модулями из продуктового комплекса COMSOL для дальнейшего расширения возможностей мультифизики для моделирования ламинарного и турбулентного потока, механики твёрдых и оболочек, акустики давления и многого другого.

Эффективное моделирование потока в трубах

Трубы — это объекты с высоким соотношением сторон, поэтому использование линий и кривых вместо элементов объёма позволяет моделировать системы трубопроводов без необходимости разрешать всё поле потока. Программное обеспечение решает решение для усреднённых переменных по линиям и кривым в вашем общем моделировании процессов, состоящих из трубопроводных сетей, при этом позволяя рассмотреть полное описание переменных процесса внутри этих сетей.

Модуль потока в трубе предоставляет специализированные функции для определения сохранения импульса, энергии и массы жидкости внутри труб или каналов. Потери давления вдоль длины трубы описываются с помощью коэффициентов трения и относительной шероховатости поверхности. На основе этого описания можно смоделировать расход, давление, температуру и концентрацию в трубах.

Функции и функциональность модуля потока труб

Модуль потока в трубах дополняет другие дополнительные модули с возможностью управления потоком жидкости.

Поток в трубах

Модуль потока труб содержит встроенные физические интерфейсы, определяющие сохранение импульса, энергии и массы жидкости внутри системы труб или каналов. Интерфейс Pipe Flow используется для вычисления полей скорости и давления в трубах и каналах различных форм. Он аппроксимирует профиль потока трубы с помощью одномерных предположений в сегментах кривой или линиях. Эти линии могут быть проведены в 2D или 3D и представляют собой упрощённые варианты полых трубок.

Для пользователей CFD-модуля и модуля теплопередачи доступна мультифизическая муфта Pipe Connection для случаев, когда трубопроводные системы открываются для большего объёма жидкости. Эта функция сочетает одномерный сегмент трубы (смоделированный с интерфейсом Pipe Flow) с 3D однофазным потоком, обеспечивая непрерывность массового потока и давления, независимо от направления.

Теплопередача

Интерфейс теплопередачи в трубах используется для моделирования теплопередачи с помощью проводимости и конвекции в трубах и каналах различных форм, где скорость и давление жидкости известны априори. Интерфейс использует одномерный энергетический баланс для определения температурных профилей в сегментах или линиях кривых. Эти линии могут быть проведены в 2D или 3D и представляют собой упрощённые варианты полых трубок. Функциональность для моделирования теплопередачи стен, включая многослойные стены и облицовку, включена в качестве опции. Интерфейс Nonisothermal Pipe Flow расширяет этот физический интерфейс, предоставляя уравнения для вычисления полей скорости и давления, когда они неизвестны. Более подробные описания теплопередачи, такие как 3D-модели турбулентного потока или задачи, связанные с поверхностным излучением, можно найти в модуле теплопередачи.

Механический анализ труб

Интерфейс Pipe Mechanics используется для вычисления напряжений и деформаций в трубах с такими нагрузками, как внутреннее давление, силы соединения и осевые силы сопротивления. Мультифизическая муфта взаимодействия жидкости и трубы с фиксированной геометрией может использоваться для моделирования нагрузок, вызванных потоком, таких как силы давления и сопротивления, центробежные силы в изогнутых трубах, а также жидкостные нагрузки на изгибах и соединениях. С дополнительным модулем Structural Mechanics доступен узел Structure-Pipe Connection multiphysics, который связывает интерфейсы Structural Mechanics с интерфейсом Pipe Mechanics.

Анализ гидроудара

Когда клапан быстро закрывается в трубной сети, возникает гидравлический переходный процесс, известный как гидроудар. Распространение этих гидравлических транзиентов в крайних случаях может привести к избыточному давлению, что приводит к отказам в трубопроводах. Интерфейс гидроудара в модуле потока трубы может использоваться для моделирования сжимаемого потока, вызванного быстрыми гидравлическими транзиентами, с учётом упругости как жидкости, так и стенки трубы.

Транспорт химических видов

Благодаря возможностям моделирования переноса химических соединений, разбавленных в жидкости, проходящих через тонкие трубы, модуль потока труб позволяет проводить сложное моделирование химических реакций. Это может включать расчёты массопереноса, химической кинетики, теплообмена и падения давления в одной модели.

Интерфейс «Транспорт разбавленных веществ в трубах» решает уравнение массового баланса для труб, чтобы вычислить распределение концентрации растворённого вещества в разбавленной жидкости, учитывая диффузию, дисперсию, конвекцию и химические реакции.

Модели трения

Поля потока, давления, температуры и концентрации в поперечных сечениях трубы моделируются как усреднённые величины поперечного сечения, которые меняются только вдоль длины труб и каналов. Для однофазного потока потери давления вдоль длины трубы или в компоненте трубы описываются с помощью выражений коэффициента трения.

Доступные модели трения для ньютоновских жидкостей включают Черчилля, Вуда, Холанда, фон Кармана и Свами-Джайна. Когда выбирается одна из таких моделей трения, данные о шероховатости поверхности можно выбрать из заранее заданного списка.

Для неньютоновских жидкостей в трубках с круглым сечением доступны модели трения Ирвайна и Стокса для жидкостей по степенному закону, Дарби — для жидкостей Бингема, а Свами-Агарвал — для жидкостей Гершеля-Балкли. Для неньютоновских жидкостей в трубках с некруговыми сечениями можно ввести значение или выражение для коэффициента трения Дарси.

Узлы, входы, клапаны, изгибы и насосы

Для учёта корреляций резких изменений давления для типичных элементов трубопроводных сетей, модуль потока в трубах включает функции для добавления дополнительных потерь давления из-за необратимого турбулентного трения в точке, связанной с изгибами, клапанами, насосами или сокращениями или расширениями в системе труб. Функция входа доступна для определения скорости, объёмной скорости расхода или массового расхода, описывающих поток жидкости.

Помимо постоянного падения давления трения вдоль участков труб, падения давления из-за изменений импульса компонентов рассчитываются с помощью обширной библиотеки отраслевых коэффициентов потерь. Потери на трение в трубных соединениях характеризуются множеством переменных, а геометрии могут различаться по углам, сечениям и числу ветвей. Модуль потока в трубах предлагает различные типы соединений, которые могут выполнять функции расщепления или слияния, такие как T-образный переход, Y-образный и N-способный переход, чтобы задать дополнительные потери из-за необратимого турбулентного трения.

Неньютоновские жидкости и многофазный поток

Для однофазного моделирования потока жидкость можно охарактеризовать по её отклику и действию сдвиговых напряжений. Ньютоновские жидкости имеют линейную зависимость между скоростью сдвига и сдвиговым напряжением. В случае неньютоновских жидкостей связь между скоростью сдвигов и сдвиговыми напряжениями может быть нелинейной. Модель пластиковой жидкости Бингема доступна для описания вискалистных жидкостей с пределом текучести. Для жидкостей, разбавленных при сдвиге и сдвигающих жидкости, доступна модель жидкости по закону мощности. Модель жидкости Гершеля-Булкли используется для описания реологического поведения неньютоновских жидкостей и моделирования потока жидкостей, проявляющих вязкопластическое поведение. С помощью неньютоновских жидкостных моделей можно моделировать такие явления, как вода и минеральная суспензия.

Тип жидкости по Ньютону также имеет два варианта газожидкости: умножитель коэффициента трения Газ-жидкость, который изменяет однофазный коэффициент трения Дарси Ньютона; и газожидкое число Рейнольдса, которое использует эффективную, скорректированную вязкость для расчёта числа Рейнольдса при расчёте потерь давления. Двухфазный газо-жидкий поток — это распространённое явление в ядерной, нефтегазовой и холодильной промышленности, где газовые смеси транспортируются в трубопроводах.

Распространение акустических волн

Распространение акустических волн по гибким трубам является одним из факторов, способствующих проектированию, планированию и строительству этих сетей. Интерфейсы Pipe Acoustics могут использоваться для одномерного моделирования распространения звуковых волн в трубных системах.

С помощью дополнения Acoustics Module вы можете проводить анализ акустики из 3D-в-1D как в частотной, так и в временной областях. Для вычисления распространения акустических волн в жидкостях при фоновых условиях покоя доступен интерфейс Pressure Acoustics, Frequency Domain для временно-гармонического анализа, а интерфейс Pressure Acoustics, Transient — для моделирования переходных процессов.

Акустический модуль также обеспечивает мультифизическую связь Acoustic-Pipe Acoustic Connection для объединения интерфейсов Pressure Acoustics с интерфейсами Pipe Acoustics как в частотных, так и временных симуляциях. Связь определяется между точкой на интерфейсе акустики трубы и границей на интерфейсе акустики давления.