Modellierung von Rohrnetzen mit dem Pipe Flow Module

Ein Rohrleitungsnetzmodell, das die Temperaturverteilung in der Prism-Farbtabelle zeigt.

Effiziente Modellierung von Rohrströmungen

Rohre sind Objekte mit einem hohen Aspektverhältnis, so dass die Verwendung von Linien und Kurven anstelle von Volumenelementen die Modellierung von Rohrleitungssystemen ermöglicht, ohne dass das gesamte Strömungsfeld aufgelöst werden muss. Die Software löst die über den Querschnitt gemittelten Variablen entlang von Linien und Kurven in Ihrer Gesamtmodellierung von Prozessen, die aus Rohrleitungsnetzen bestehen, und ermöglicht es Ihnen dennoch, eine vollständige Beschreibung der Prozessvariablen innerhalb dieser Netze zu berücksichtigen.

Das Pipe Flow Module bietet spezielle Funktionalitäten für die Definition der Erhaltung von Impuls, Energie und Masse von Fluiden in Rohren oder Kanälen. Die Druckverluste entlang der Länge eines Rohres werden mit Hilfe von Reibungsfaktoren und relativen Oberflächenrauhigkeitswerten beschrieben. Auf der Grundlage dieser Beschreibung können Sie die Durchflussrate, den Druck, die Temperatur und die Konzentration in den Rohren modellieren.

Erstellen von Einzelphysik- und Multiphysikmodellen

Die Modellierung mehrerer physikalischer Phänomene in COMSOL Multiphysics^® unterscheidet sich nicht von der Lösung eines einzelphysikalischen Vorgangs.

Eine Nahaufnahme eines Rohrsystems, die den Druckabfall zeigt.

Entleerung von Tanks

Berechnung des Druckabfalls und der Anfangsdurchflussmenge in Tanks.

Detailansicht eines Wärmekollektormodells, das die Temperatur anzeigt.

Geothermische Systeme

Modellierung geothermischer Systeme und der Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung.

Wärmetauscher

Modellierung der Strömung und des Wärmetransports bei Wärmetauschern.

Die Detailansicht eines Rohrsystems zeigt die Schallgeschwindigkeit.

Druckstoß-Gleichungen

Analyse der Ausbreitung transienter hydraulischer Vorgänge (Wasserhammer).

Nahaufnahme eines Sondenmikrofonmodells, das den Druckverlauf zeigt.

Sondenmikrofone

Untersuchung der Mikrofonempfindlichkeit mit 1D- und 3D-Kopplungen.¹

Nahaufnahme eines Lenkradmodells, das die Temperatur anzeigt.

Kühlsysteme

Modellierung der Kühlung von Spritzgussteilen.

Eine Detailansicht eines Rohrnetzmodells mit zwei Wärmeerzeugern.

Rohrleitungsnetze

Optimierung der Auslegung von Rohrnetzen zur Maximierung der Effizienz.²

Wärmedämmung

Simulation des Öltransports in Pipelines.

Nahaufnahme eines Wärmetauschermodells mit Druck- und Geschwindigkeitsangaben.

Laminare und turbulente Strömungen

Kombination von Rohrströmungsbereichen mit 3D-Fluidbereichen sowohl für laminare als auch für turbulente Strömungen.³

Detailansicht eines Teichschleifenmodells, das die Temperatur anzeigt.

Nicht-isotherme Strömung

Simultane Lösung von Strömung, Druck und Temperatur.

Benötigt das Acoustics Module
Benötigt das Optimization Module
Benötigt das CFD Module oder das Heat Transfer Module

Features und Funktionalitäten im Pipe Flow Module

Das Pipe Flow Module ist eine Ergänzung zu den anderen Zusatzmodulen mit Strömungsfähigkeiten.

Eine Detailansicht der Einstellungen für den Rohrleitungsfluss und ein Gülletransportmodell im Grafikfenster.

Rohrströmung

Das Pipe Flow Module enthält integrierte physikalische Interfaces, die die Erhaltung des Impulses, der Energie und der Masse eines Fluids in einem Rohr- oder Kanalsystem definieren. Das Interface Pipe Flow wird für die Berechnung der Geschwindigkeits- und Druckfelder in Rohren und Kanälen unterschiedlicher Form verwendet. Sie approximiert das Rohrströmungsprofil durch 1D-Annahmen in Kurvensegmenten oder Linien. Diese Linien können in 2D oder 3D gezeichnet werden und stellen Vereinfachungen von Hohlrohren dar.

Für Anwender des CFD Module und Heat Transfer Module steht eine Multiphysik-Kopplung Pipe Connection für Fälle zur Verfügung, in denen sich Rohrleitungssysteme zu einem größeren Fluidvolumen öffnen. Diese Funktion koppelt ein 1D-Rohrsegment (das mit dem Interface Pipe Flow modelliert wird) mit einem 3D-Einphasenströmungskörper, um unabhängig von der Richtung eine Kontinuität des Massenstroms und des Drucks zu gewährleisten.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Wall Heat Transfer und einem geothermischen System im Grafikfenster.

Wärmetransport

Das Heat Transfer in Pipes-Interface dient der Modellierung des Wärmetransports durch Leitung und Konvektion in Rohren und Kanälen unterschiedlicher Form, bei denen die Strömungsgeschwindigkeit und der Druck a priori bekannt sind. Das Interface verwendet eine 1D-Energiebilanz, um die Temperaturprofile in Kurvensegmenten oder Linien zu bestimmen. Diese Linien können in 2D oder 3D gezeichnet werden und stellen Vereinfachungen von Hohlrohren dar. Funktionalitäten zur Modellierung des Wärmeübergangs an den Wänden, einschließlich mehrschichtiger Wände und Verkleidungen, sind als Option enthalten. Das Nonisothermal Pipe Flow-Interface erweitert dieses physikalische Interface durch die Bereitstellung von Gleichungen zur Berechnung der Geschwindigkeits- und Druckfelder, wenn diese unbekannt sind. Ausführlichere Beschreibungen des Wärmetransports, wie z. B. 3D-Modelle für turbulente Strömungen oder Fragestellungen, welche die Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche betreffen, sind im Heat Transfer Module zu finden.

Eine Detailansicht der Einstellungen für die Fluid-Pipe-Interaktion und ein Rohrnetzmodell im Grafikfenster.

Mechanische Analyse von Rohren

Das Interface Pipe Mechanics dient der Berechnung von Spannungen und Verformungen in Rohren unter Belastung durch Innendruck, Verbindungskräfte und axiale Widerstandskräfte. Die Multiphysik-Kopplung Fluid-Pipe Interaction, Fixed Geometry kann verwendet werden, um strömungsinduzierte Lasten in Rohren zu modellieren, z.B. Druck- und Widerstandskräfte, Zentrifugalkräfte in gekrümmten Rohren und Fluidlasten an Bögen und Abzweigungen. Mit dem Add-On Structural Mechanics Module steht ein Multiphysik-Knoten Structure-Pipe Connection zur Verfügung, der die Structural Mechanics Interfaces mit dem Pipe Mechanics Interface koppelt.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Water Hammer, dem entsprechenden Einstellungsfenster und einem Rohrsystem im Grafikfenster.

Druckstoßanalyse

Wenn ein Ventil in einem Rohrnetz schnell geschlossen wird, kommt es zu einer hydraulischen Transiente, die als Water Hammer (Wasserhammer) bezeichnet wird. Die Ausbreitung dieser hydraulischen Transienten kann in extremen Fällen Überdrücke verursachen, die zu Ausfällen in Rohrsystemen führen. Das Water Hammer-Interface im Pipe Flow Module kann zur Modellierung kompressibler Strömungen verwendet werden, die durch schnelle hydraulische Transienten hervorgerufen werden, indem die elastischen Eigenschaften sowohl des Fluids als auch der hohen Wand berücksichtigt werden.

Eine Nahaufnahme des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Transport of Diluted Species in Pipes und einem Rohrmodell im Grafikfenster.

Transport chemischer Spezies

Mit seinen Fähigkeiten zur Modellierung des Transfers von chemischen Verbindungen, die in durch dünne Rohre fließenden Fluide verdünnt sind, ermöglicht das Pipe Flow Module die Modellierung komplexer chemischer Reaktionen. Dies kann Stofftransport, chemische Kinetik, Wärmetransport und Druckverlustberechnungen im selben Modell umfassen.

Das Interface Transport of Diluted Species in Pipes löst eine Massenbilanzgleichung für Rohre, um die Konzentrationsverteilung eines gelösten Stoffes in einer verdünnten Lösung zu berechnen, wobei Diffusion, Dispersion, Konvektion und chemische Reaktionen berücksichtigt werden.

Eine Nahaufnahme der Einstellungen für die Rohreigenschaften und ein Wärmetauschermodell im Grafikfenster.

Reibungsmodelle

Die Strömungs-, Druck-, Temperatur- und Konzentrationsfelder über die Rohrquerschnitte werden als über den Querschnitt gemittelte Größen modelliert, die nur entlang der Länge der Rohre und Kanäle variieren. Bei einphasiger Strömung werden die Druckverluste entlang der Länge eines Rohres oder einer Rohrkomponente mit Hilfe von Reibungsfaktorausdrücken beschrieben.

Zu den verfügbaren Reibungsmodellen für Newtonsche Flüssigkeiten gehören Churchill, Wood, Haaland, Von Karman und Swamee-Jain. Wenn eines dieser Reibungsmodelle ausgewählt wird, können die Oberflächenrauhigkeitsdaten aus einer vordefinierten Liste ausgewählt werden.

Für nicht-newtonsche Fluide in Rohren mit kreisförmigem Querschnitt stehen die Reibungsmodelle Irvine und Stokes für Power-law-Fluide, Darby für Bingham-Fluide und Swamee-Aggarwal für Herschel-Bulkley-Fluide zur Verfügung. Für Nicht-Newtonsche Fluide in Rohren mit nicht-kreisförmigem Querschnitt kann ein Wert oder Ausdruck für den Reibungsfaktor Darcy friction factor eingegeben werden.

Eine Detailansicht der T-Kreuzungseinstellungen und zwei Grafikfenster, die ein Rohrleitungsnetzmodell zeigen.

Abzweigungen, Einlässe, Ventile, Rohrbögen und Pumpen

Um Zusammenhänge von plötzlichen Druckänderungen für gängige Elemente von Rohrnetzen zu berücksichtigen, enthält das Pipe Flow Modul Funktionen zur Einführung zusätzlicher Druckverluste aufgrund irreversibler turbulenter Reibung an einem Punkt, der mit Bögen, Ventilen, Pumpen oder Verengungen oder Ausdehnungen in einem Rohrsystem verbunden ist. Mit der Inlet-Funktionalität können die Einlassbedingungen für Geschwindigkeit, Volumendurchfluss oder Massendurchfluss festgelegt werden, die den Fluidstrom beschreiben.

Zusätzlich zu den kontinuierlichen Reibungsdruckverlusten entlang von Rohrstrecken werden Druckverluste aufgrund von Impulsänderungen in Komponenten mit Hilfe einer umfangreichen Bibliothek von branchenüblichen Verlustkoeffizienten berechnet. Reibungsverluste in Rohrverzweigungen sind durch viele Variablen gekennzeichnet, und die Geometrien können sich durch Winkel, Querschnitte und die Anzahl der Abzweigungen unterscheiden. Das Pipe Flow Module bietet eine Vielzahl von Verzweigungstypen, die als Teilung oder Zusammenführung fungieren können, wie z.B T-junction, Y-junction und N-way junction, um zusätzliche Verluste aufgrund irreversibler turbulenter Reibung zu bestimmen.

Detailansicht der Einstellungen für den Rohrleitungsfluss und ein Rohrleitungssystemmodell im Grafikfenster.

Nicht-Newtonsche Fluide und mehrphasige Strömungen

Bei der Modellierung von Einphasenströmungen kann die Flüssigkeit anhand ihres Verhaltens und der Einwirkung von Scherspannungen charakterisiert werden. Newtonsche Fluide haben eine lineare Beziehung zwischen Schergeschwindigkeit und Scherspannung. Bei nicht-newtonschen Fluiden kann das Verhältnis zwischen Schergeschwindigkeit und Scherspannung nichtlinear sein. Zur Beschreibung viskoplastischer Fluide, die eine Fließspannung aufweisen, steht das Bingham-Modell für plastische Fluide zur Verfügung. Für scherverdünnende und scherverdickende Fluide steht das Power law Fluidmodell zur Verfügung. Das Herschel-Bulkley-Fluidmodell wird zur Beschreibung des rheologischen Verhaltens von nicht-newtonschen Fluiden und zur Simulation der Strömung von Fluiden mit viskoplastischem Verhalten verwendet. Mit den nicht-newtonschen Fluidmodellen lassen sich Phänomene wie Wasser und Mineralsuspensionen modellieren.

Der Newtonsche Fluidtyp verfügt außerdem über zwei Gas-Flüssigkeit-Optionen: den Gas-Liquid, friction factor multiplier, der den einphasigen Newtonschen Darcy-Reibungsfaktor modifiziert; und die Gas-Liquid, effective Reynolds number, die eine effektive, angepasste Viskosität zur Berechnung der Reynoldszahl in den Druckverlustberechnungen verwendet. Zweiphasige Gas-Flüssigkeits-Strömungen sind ein häufiges Phänomen in der Nuklear-, Öl- und Gas- sowie Kühlindustrie, wo Gasgemische in Rohrsystemen transportiert werden.

Eine Detailansicht des Model Builders mit dem hervorgehobenen Knoten Acoustic-Pipe Acoustic-Verbindung und einem Rohrsystem im Grafikfenster.

Ausbreitung akustischer Wellen

Die Ausbreitung von Schallwellen entlang flexibler Rohre ist ein wichtiger Faktor bei Design, Planung und Bau dieser Netze. Das Interface Pipe Acoustics kann für die 1D-Modellierung der Ausbreitung von Schallwellen in Rohrsystemen verwendet werden.

Mit dem Acoustics Module Add-On können akustische 3D-zu-1D-Analysen sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich durchgeführt werden. Zur Berechnung der Ausbreitung akustischer Wellen in Fluiden unter ruhigen Hintergrundbedingungen steht das Interface Pressure Acoustics, Frequency Domain für zeitharmonische Analysen und das Interface Pressure Acoustics, Transient für transiente Simulationen zur Verfügung.

Das Acoustics Module bietet auch eine Multiphysik-Kopplung Acoustic-Pipe Acoustic Connection, um das Pressure Acoustics-Interface mit dem Pipe Acoustics-Interface sowohl in Frequenz- als auch in Zeitbereichssimulationen zu kombinieren. Die Kopplung wird zwischen einem Punkt im Rohrakustik-Interface und einer Fläche im Druckakustik-Interface definiert.

Pipe Flow Module

Effiziente Modellierung von Rohrströmungen