Моделируйте трубопроводные системы с помощью модуля «Течения в трубопроводах»

Распределение температуры в модели трубопровода показано с использованием цветовой палитры Prism.

Эффективное моделирование гидродинамики в каналах

Для геометрии труб характерны высокие аспектные соотношения, поэтому для моделирования трубопроводных систем целесообразно перейти от твердотельных трёхмерных к одномерным моделям, представленным отрезками и кривыми линиями. На этих одномерных объектах решаются осреднённые по сечению канала уравнения для параметров течения внутри каналов трубопровода, при этом сохраняется возможность полноценного описания процессов в пределах трубопроводных систем.

В модуле «Течения в трубопроводах» реализованы специальные математические модели, построенные на основе уравнений сохранения массы, импульса и энергии жидкости внутри труб или каналов. Гидравлические потери рассчитываются с помощью соотношений для коэффициентов трения с учётом шероховатости поверхности. Все эти инструменты позволяют рассчитывать поля скорости, давления, температуры и концентрации компонентов смеси в каналах.

Создавайте простые и комплексные модели

Моделирование мультифизических процессов в COMSOL Multiphysics^® не отличается от решения простой задачи.

Увеличенное изображение распределения давления в модели трубопроводной системы.

Разгрузочные ёмкости

Расчёт падения давления и начального расхода в разгрузочных резервуарах.

Увеличенное изображение распределения температуры в тепловом коллекторе.

Геотермальные системы

Моделирование геотермальных систем и их взаимодействия с окружающей средой.

Увеличенное изображение распределения давления в модели теплообменника.

Теплообменное оборудование

Модели гидродинамики и теплопередачи в теплообменных аппаратах.

Увеличенное изображение графика акустической скорости в трубе.

Уравнения гидроудара

Анализ распространения гидравлических колебаний.

Увеличенное изображение графика отклика давления в модели микрофона с трубчатым зондом.

Микрофон с трубчатым зондом

Оценка чувствительности микрофона с помощью комбинации 1D и 3D моделей.¹

Увеличенное изображение распределения температуры в модели литьевой формы для рулевого колеса.

Системы охлаждения

Модели охлаждения литьевых форм.

Увеличенное изображением модели тепловой сети с двумя источниками теплоты.

Тепловая сеть

Оптимизация структуры тепловой сети для повышения экономичности.²

График изменения температуры, демонстрирующий влияние тепловой изоляции трубы.

Тепловая изоляция

Моделирование трубопроводной транспортировки нефти.

Увеличенное изображение распределения давления и скорости в модели теплообменника.

Ламинарные и турбулентные течения

Комбинируйте одномерные трубопроводные объекты с трёхмерными доменами для моделирования ламинарных и турбулентных течений.³

Увеличенное изображение распределения температуры в модели теплообменника солнечного пруда.

Неизотермические течения

Сопряжённый расчёт полей течения, давления и температуры.

Требуется модуль «Акустика»
Требуется модуль «Оптимизация»
Требуется модуль «Вычислительная гидродинамика» или «Теплопередача»

Функциональные возможности модуля «Течения в трубопроводах»

Модуль «Течения в трубопроводах» дополняет функционал других модулей расширения инструментами моделирования гидродинамики в каналах.

Увеличенное изображение окна настройки интерфейса Pipe Flow и изображением модели переноса шлама в графическом окне.

Гидродинамика

Модуль «Течения в трубопроводах» содержит встроенные физические интерфейсы, с помощью которых можно решать уравнения сохранения массы, импульса и энергии жидкости внутри систем труб или каналов. Интерфейс Pipe Flow предназначен для расчёта полей скорости и давления в трубах и каналах различного сечения на основе решения одномерных уравнений, определённых на отрезках или криволинейных сегментах в двумерном или трёхмерном пространстве.

При совместном использовании с модулями «Вычислительная гидродинамика» и «Теплопередача» соединение трубопровода с большим объёмом жидкости можно описать с помощью узла мультифизической связи Pipe Connection, Этот узел задаёт условия совместности для одномерной модели сегмента трубы, представленной интерфейсом Pipe Flow, и трёхмерной модели однофазного течения в объёме. Условия совместности обеспечивают непрерывное распределение давления и плотности потока массы в расчётной области независимо от направления течения.

Увеличенное изображение дерева модели с выбранным узлом Wall Heat Transfer и геотермальной системы в графическом окне.

Теплопередача

Интерфейс Heat Transfer in Pipes предназначен для моделирования теплообмена за счёт теплопроводности и конвекции в трубах и каналах различного сечения, когда давление и скорость жидкости известны априори. В интерфейсе для расчёта изменения температуры в канале решается одномерное уравнение баланса энергии. Линии, которые описывают структуру трубопровода и вдоль которых проводится расчёт, могут быть построены в двумерном или трёхмерном пространстве. Для моделирования теплопередачи через стенку трубы, в том числе с учётом изоляции или многослойной структуры материала стенки, реализованы специальные инструменты. Интерфейс Nonisothermal Pipe Flow расширяет возможности моделирования и позволяет рассчитать поля скорости и давления в случае, когда они неизвестны. Более точные и подробные модели процессов теплопередачи, например модели теплообмена в трёхмерных турбулентных потоках или теплообмена излучением, представлены в модуле «Теплопередача».

Увеличенное изображение окна настройки узла Fluid-Pipe Interaction и модели трубопроводной системы в графическом окне.

Прочностной анализ труб

Интерфейс Pipe Mechanics предназначен для расчёта напряжённо-деформированного состояния труб произвольного поперечного сечения под действием внутреннего давления и других видов нагрузок, возникающих, например, в местах соединения труб. Узел мультифизической связи Fluid-Pipe Interaction, Fixed Geometry позволяет учесть нагрузки, связанные с течением жидкости внутри труб, например силы давления и сопротивления, центробежные силы в изогнутых трубах, а также силы, действующие на жидкость в изгибах и стыках. При совместном использовании с модулем «Механика конструкций» можно комбинировать интерфейсы твердотельной механики Structural Mechanics и механики труб Pipe Mechanics с помощью узла мультифизической связи Structure-Pipe Connection.

Увеличенное изображение дерева модели с выделенным узлом Water Hammer, соответствующим окном настройки и моделью трубопровода в графическом окне.

Анализ гидроудара

При быстром закрытии клапана или задвижки в трубопроводной системе возникают переходные процессы, которые получили название гидравлического удара. В результате таких процессов давление в системе может резко возрасти, что приведёт к разрушению трубопровода. С помощью интерфейса Water Hammer, входящего в состав модуля «Течения в трубопроводах», можно моделировать течение сжимаемой среды, возникающее в результате быстрых переходных процессов, с учётом упругих свойств как самой жидкости, так и материала стенки трубы.

Увеличенное изображение дерева модели с выделенным узлом Transport of Diluted Species in Pipes и моделью трубопровода в графическом окне.

Перенос массы в смесях и растворах

Встроенные возможности моделирования переноса массы растворённых в жидкости компонентов химических смесей в тонких трубах позволяют использовать модуль «Течения в трубопроводах» для анализа сложных химических процессов. В модели одновременно можно учесть перенос массы, кинетику химических реакций, теплообмен и гидравлические потери.

В интерфейсе Transport of Diluted Species in Pipes реализовано уравнение баланса массы в трубе, решение которого позволяет рассчитать распределение концентрации раствора с учётом диффузии, дисперсии, конвекции и химических реакций.

Увеличенное изображение окна настройки узла Pipe Properties и модели теплообменника в графическом окне.

Модели трения

Уравнения решаются для осреднённых по сечению канала величин — скорости, давления, температуры и концентрации, которые изменяются только по длине труб и каналов. Для однофазного течения гидравлическое сопротивление трубы или установленного на трубопроводе гидравлического устройства рассчитывается с использованием соотношений для коэффициентов трения.

Реализованы следующие модели трения ньютоновских жидкостей: Черчилля, Вуда, Хааланда, Кармана и Свами-Джейн. При использовании любой из перечисленных моделей можно выбрать параметры шероховатости поверхности из предустановленного списка.

При моделировании течения неньютоновских жидкостей в цилиндрических каналах можно использовать модели трения Ирвайна и Стокса для степенных жидкостей, модель Дарби для бингамовских жидкостей и модель Свами-Аггарвала для жидкостей Хершеля-Балкли. При расчёте течения неньютоновских жидкостей в каналах некруглого сечения можно задать значение или формулу для коэффициента трения Дарси.

Увеличенное изображение окна настройки узла T-junction и двух графических окон, отображающих модель трубопровода.

Соединения, клапаны, изгибы, насосы, входные сечения

Модуль «Течения в трубопроводах» содержит встроенные функции для учёта локальных гидравлических сопротивлений, создаваемых изгибами труб, клапанами и задвижками, насосами, локальными сужениями или расширениями каналов. С помощью граничного условия Inlet во входном сечении канала можно задать скорость, объёмный или массовый расход жидкости.

Помимо потерь давления по длине канала, связанных с трением, учитываются также потери давления, обусловленные изменением импульса в отдельных элементах трубопровода. Эти потери рассчитываются с помощью обширной библиотеки стандартных формул для коэффициентов сопротивления. Для определения вязких потерь в местах соединения труб требуется учесть множество параметров, в том числе описывающих геометрию соединений: углы, поперечные сечения и количество ответвлений. В модуле «Течения в трубопроводах» предусмотрены инструменты для построения геометрии и расчёта локального сопротивления самых разных типов соединений, в которых происходит слияние или разделение потока, например T-junction, Y-junction и N-way junction.

Увеличенное изображение окна настройки узла Pipe Flow и модели трубопроводной системы в графическом окне.

Неньютоновские жидкости и многофазные течения

Течение однофазной жидкости можно описать через взаимосвязь между скоростью деформаций и касательными напряжениями. Для ньютоновских жидкостей эта взаимосвязь является линейной, а жидкости, которые характеризуются нелинейной зависимостью касательных напряжений от скорости сдвиговых деформаций, называются неньютоновскими. Модель бингамовских пластиков Bingham позволяет описать течение вязкопластических жидкостей, для которых характерно наличие предела текучести. Для моделирования течения дилатантных и тиксотропных жидкостей реализована степенная модель Power Law. Течение вязкопластических жидкостей можно рассчитать с помощью реологической модели Гершеля-Балкли. Модели неньютоновских жидкостей применимы также для описания водных и минеральных суспензий.

Для ньютоновских жидкостей доступно два варианта моделирования газожидкостных потоков. При выборе опции Gas-Liquid, friction factor multiplier корректируется значение коэффициента трения Дарси, а при выборе опции Gas-Liquid, effective Reynolds number при расчёте гидравлических потерь используется эффективное значение числа Рейнольдса со скорректированной вязкостью. Задачи моделирования газожидкостных потоков в каналах актуальны для атомной, нефтегазовой и холодильной отраслей промышленности, поскольку рабочей средой в различных промышленных процессах зачастую является двухфазная смесь газа и жидкости.

Увеличенное изображение дерева модели с выделенным узлом Acoustic-Pipe Acoustic Connection и модели трубопровода в графическом окне.

Распространение акустических волн

При проектировании и строительстве трубопроводных сетей необходимо принимать во внимание факторы, связанные с распространением акустических волн по упругим трубам этих сетей. Для анализа распространения акустических волн в трубопроводных системах в рамках одномерных моделей предназначены интерфейсы Pipe Acoustics.

При совместном использовании с модулем «Акустика» можно строить комбинированные трёхмерные и одномерные модели распространения акустических волн как в частотной, так и во временной областях. Интерфейс Pressure Acoustics, Frequency Domain предназначен для гармонического анализа акустических волн в спокойной жидкости, а интерфейс Pressure Acoustics, Transient — для анализа переходных процессов.

Узел мультифизической связи Acoustic-Pipe Acoustic Connection, представленный в модуле «Акустика», позволяет комбинировать интерфейсы Pressure Acoustics и Pipe Acoustics для моделирования акустических процессов в частотной и временной областях. Сопряжение осуществляется между точкой, определённой в интерфейсе акустики трубы, и поверхностью, связанной с интерфейсом аэроакустики.

Течения в трубопроводах