管道流模块

设计和分析管道系统

“管道流模块”是 COMSOL Multiphysics® 的一款附加产品,用于模拟流体流动、传热和传质、声学以及管的力学特性。在 COMSOL Multiphysics® 中,您可以将管表示为一维线段,与通过三维管进行网格划分和计算流动相比,前者可以显著减少计算资源。您可以使用这种方法来设计和优化复杂的管道应用,包括建筑物中的通风系统、石油工业中的管道、地热应用的管网以及配水系统。

除了对管内的各种效应建模以外,还可以将一维线段嵌入到更大的三维体中,从而模拟对管周围环境的影响。例如,您可以模拟发动机缸体中的冷却管和地热应用中的注塑模具或加热管。“管道流模块”可以与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用,以进一步扩展用于模拟层流和湍流、实体和壳力学、压力声学等现象的多物理场功能。

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方向盘三维模型,其中以 HeatCamera 颜色表显示温度。

高效的管道流建模

管道是具有高纵横比的对象,因此,使用直线和曲线(而不是体单元)可以对管道系统进行建模,而无需解析完整的流场。本软件在由管网组成的整个过程建模中沿直线和曲线求解横截面平均变量,同时仍然允许您考虑这些网络中过程变量的完整描述。

“管道流模块”提供专门的功能来定义管道或通道内流体的动量、能量和质量守恒,其中使用摩擦因子和相对表面粗糙度值来描述沿管长方向的压力损失。您可以根据此描述对管中的流率、压力、温度和浓度进行建模。

构建单物理场和多物理场模型

在 COMSOL Multiphysics® 中模拟多种物理现象几乎与求解单个物理问题一样轻松。

管道系统的特写视图,其中显示压降。

卸料罐

计算罐中的压降和初始流率。

集热器模型的特写视图,其中显示温度。

地热系统

模拟地热系统及其与周围环境的相互作用。

换热器模型的特写视图,其中显示压力分布。

换热器

模拟换热器的流动和传热。

显示声速的管道系统的特写视图。

水锤方程

分析水力瞬变的传播。

探管麦克风模型的特写视图,其中显示压力响应。

探管麦克风

使用一维和三维耦合来研究麦克风灵敏度。1

方向盘模型的特写视图,其中显示温度。

冷却系统

模拟注塑成型零件的冷却。

具有两个热源的管网模型的特写视图。

管网

优化管网布局,以最大限度地提高效率。2

显示管道中的隔热材料的一维绘图。

隔热

模拟管道中的石油运输。

换热器模型的特写视图,其中显示压力和速度。

层流和湍流

将管道流域与三维流体域相结合,用于分析层流和湍流。3

池塘循环系统模型的特写视图,其中显示温度。

非等温流动

同时求解流动、压力和温度。

  1. 需要“声学模块”
  2. 需要“优化模块”
  3. 需要“CFD 模块”或“传热模块”

管道流模块的特征和功能

“管道流模块”为其他具有流体流动功能的附加模块提供补充支持。

“管道流”设置的特写视图,其中“图形”窗口中显示煤浆输送模型。

管道流

“管道流模块”包含内置的物理场接口,用于定义管道或通道系统内流体的动量、能量和质量守恒。管道流 接口用于计算不同形状的管道和通道中的速度场和压力场,通过一维假设的曲线段或直线来近似管道流动剖面,这些直线可以在二维或三维中绘制,用来表示空心管的简化形式。

CFD 模块传热模块的用户可以使用管接头 多物理场耦合来分析管道系统敞开在大体积流体中的情况。此特征将一维管段(使用管道流 接口建模)与三维单相流体相耦合,以提供质量通量和压力的连续性,而无需考虑方向。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“壁传热”节点;“图形”窗口中显示地热系统。

传热

管道传热 接口用于模拟不同形状的管道和通道中的传导传热和对流传热,其中流体速度和压力是先验 的,使用一维能量平衡来确定曲线段或直线中的温度分布。这些直线可以在二维或三维中绘制,用来表示空心管的简化形式。该接口提供一个具有壁(包括多层壁和包层)传热建模功能的选项。非等温管道流 接口对该物理场接口进行了扩展,其中提供方程来计算未知的速度场和压力场。有关三维湍流模型或涉及表面对表面辐射的问题,您可以在“传热模块”中找到更丰富的传热描述。

“流体-管相互作用”设置的特写视图,其中“图形”窗口中显示管网模型。

管的力学分析

管力学 接口用于计算管在载荷(例如内压、接合力和轴向曳力)下的应力和变形。流体-管相互作用,固定几何 多物理场耦合可用于模拟管道中流动引起的载荷,例如压力和曳力、弯管中的离心力,以及弯头和接头处的流体载荷。通过将该模块与附加的结构力学模块结合使用,您可以使用结构-管连接 多物理场节点将结构力学管力学 接口进行耦合。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“水锤”节点,并显示其对应的“设置”窗口;“图形”窗口中显示管道系统。

水锤分析

当管网中的阀快速关闭时,会产生一种称为水锤 的水力瞬变现象。这些水力瞬变的传播在极端情况下会造成超压,从而导致管道系统出现故障。“管道流模块”中的水锤 接口可用于模拟由快速水力瞬变引起的可压缩流动,同时考虑流体和高壁的弹性属性。

“模型开发器”特写视图,其中突出显示“管道中的稀物质传递”节点,“图形”窗口中显示一个管模型。

化学物质传递

“管道流模块”能够模拟流经细管的流体中的稀浓度化合物的传递,因此可以进行复杂的化学反应建模,其中可以在同一模型中包含质量传递、化学动力学、传热和压降计算。

管道中的稀物质传递 接口求解管道的质量平衡方程,以计算稀溶液中溶质的浓度分布,同时考虑扩散、弥散、对流和化学反应。

“管属性”设置的特写视图,其中“图形”窗口中显示换热器模型。

摩擦模型

管道横截面上的流动、压力、温度和浓度场被建模为横截面平均量,它们仅沿管道和通道的长度方向变化。对于单相流,沿管长方向或管道部件中的压力损失通过摩擦因子表达式进行描述。

可用于牛顿流体的摩擦模型包括 ChurchillWoodHaalandVon KarmanSwamee-Jain。当您选择其中一个摩擦模型时,可以从预定义的列表中选择表面粗糙度数据。

对于圆形截面管中的非牛顿流体,您可以使用 Irvine斯托克斯 摩擦模型分析幂律 流体,使用 Darby 分析 Bingham 流体,并使用 Swamee-Aggarwal 分析 Herschel-Bulkley 流体。对于非圆形截面管中的非牛顿流体,则可以为达西摩擦因子 输入一个值或表达式。

T 型接头设置的特写视图,其中两个“图形”窗口显示管网模型。

接头、入口、阀、弯头和泵

为了说明管网中常见元素的压力突然变化的相关性,“管道流模块”包含的特征可以引入由不可逆湍流摩擦造成的额外压力损失,这种摩擦多发生在与管道系统中的弯头、阀、泵、收缩或膨胀相关的某个点处。入口 特征可用于设置描述流体流动的速度、体积流率或质量流率入口条件。

除了沿管道延伸方向的连续摩擦压降以外,还通过广泛的行业标准损耗系数库来计算组件中由动量变化引起的压降。管接头处的摩擦损耗由许多变量表征,并且几何形状可能因角度、横截面和分支数量而有所不同。“管道流模块”提供了多种可以用来拆分或合并的接头类型,例如 T 型接头Y 型接头多路接头,以指定由不可逆湍流摩擦导致的额外损失。

“管道流”设置的特写视图,其中“图形”窗口中显示管道系统模型。

非牛顿流体和多相流

对于单相流建模,您可以根据流体的响应和剪切应力的作用来描述其特征。牛顿流体的剪切速率和剪切应力之间具有线性关系。在非牛顿流体的情况下,剪切速率和剪切应力之间的关系可以是非线性的。Bingham 塑性流体模型可用于描述具有屈服应力的黏塑性流体。对于剪切稀化流体和剪切增稠流体,可以使用幂律 流体模型进行分析。Herschel-Bulkley 流体模型用于描述非牛顿流体的流变特性,并模拟表现出黏塑性行为的流体的流动。您可以使用非牛顿流体模型对水和矿物悬浮液等现象进行建模。

牛顿流体类型也有两个气-液选项:气-液摩擦因子乘子,用于修改单相牛顿达西摩擦因子;以及气-液有效雷诺数,用于在压力损失计算中使用有效的调整黏度来计算雷诺数。气液两相流是核工业、石油天然气和制冷工业中的常见现象,其中气体混合物在管道系统中进行输送。

“模型开发器”的特写视图,其中突出显示“声-管道声学连接”节点,“图形”窗口中显示管道系统。

声波的传播

声波沿柔性管道的传播是这些网络的设计、规划和建设的一个重要因素。管道声学 接口可用于对管道系统中声波的传播进行一维建模。

通过将该模块与附加的声学模块结合使用,您可以在频域和时域中执行三维到一维的声学分析。为了计算静态背景条件下流体中声波的传播,您可以使用压力声学,频域 接口进行时谐分析,或者使用压力声学,瞬态 接口进行瞬态仿真。

不仅如此,“声学模块”还提供声-管道声学连接 多物理场耦合功能,使您可以在频域和时域仿真中将压力声学 接口与管道声学 接口相结合,并在“管道声学”接口中的点与“压力声学”接口中的边界之间定义耦合。

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