设计和分析管道系统

“管道流模块”是 COMSOL Multiphysics^® 的一款附加产品，用于模拟管道系统中的流体流动、传热和传质、声学以及管道的力学特性。在 COMSOL Multiphysics^® 中，您可以使用一维线段来表示管道，相较于通过三维管道进行网格划分和流动计算，这种方法可以显著降低计算资源的消耗。您可以使用这种方法来设计和优化各种复杂的管道应用，包括建筑物通风系统、石油工业管道、地热应用管网以及配水系统等。

除了对管内各种效应进行建模以外，您还可以将一维线段嵌入到更大的三维体中，以模拟对管道周围环境的影响。举例来说，您可以模拟发动机缸体中的冷却管道、地热应用中的注塑模具或加热管道。此外，“管道流模块”还能够与 COMSOL 产品库中的其他模块无缝结合，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。

高效的管道流建模

管道是一种具有高纵横比的对象，因此，可以使用直线和曲线（而不是体单元）对管道系统进行建模，而无需解析整个流场的细节。我们的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道长度方向的压力损失。您可以根据此描述对管道内的流率、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物理场问题一样轻松。

卸料罐

计算罐中的压降和初始流率。

整个管道系统压降的线结果图。

地热系统

模拟地热系统及其与周围环境的相互作用。

花园集热器模型。

换热器

模拟换热器的流动和传热。

换热器模型中的压力分布。

水锤方程

分析水力瞬变的传播。

显示声速的管道系统。

探管麦克风

使用一维和三维耦合来研究麦克风灵敏度。¹

探针管和腔体系统的压力响应。

冷却系统

模拟注塑成型零件的冷却。

注塑成型汽车方向盘的温度。

管网

优化管网布局，以最大限度地提高效率。²

图中绘制了具有两个热源的矩形用户布局的最佳管网，该优化最大限度地降低了建立和运行网络的成本，同时确保所有住户都不会受冻。

隔热

模拟管道中的石油运输。

油温随管道中位置的变化，其中假设以下三种情况：没有穿越管壁的传热，管周围没有隔热材料时的传热，以及隔热厚度经过优化的情况。

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

本例使用管接头 特征同时模拟管道端部的层流和接头处的管道流。结果显示该换热器末端件的压力和通过管道的速度。

非等温流动

同时求解流动、压力和温度。

池塘循环系统中管道流体的温度。

备注：

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

“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。这些线可以在二维或三维中绘制，以更简单地表示空心管的结构。

对于使用 CFD 模块和传热模块的用户，我们还提供了管接头 多物理场耦合功能，用于分析管道系统在大体积流体中的开放情况。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，确保质量通量和压力的连续性，而无需考虑方向的限制。

管道流 接口用于模拟由不同直径的管组成的管网中的流动。结果显示速度和雷诺数。

摩擦模型

借助本模块，您能够以横截面平均量的形式对管道横截面上的流动、压力、温度和浓度场进行建模，这些量仅沿管道和通道的长度方向发生变化。对于单相流，我们使用摩擦因子表达式来描述沿管道长度方向或管道部件中的压力损失。

提供多种适用于牛顿流体的摩擦模型，包括 Churchill、Wood、Haaland、Von Karman 和 Swamee-Jain。在选择任意一种摩擦模型时，您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 和斯托克斯 摩擦模型来分析幂律 流体，使用 Darby 来分析 Bingham 流体，并使用 Swamee-Aggarwal 来分析 Herschel-Bulkley 流体。对于非圆形截面管中的非牛顿流体，则可以输入达西摩擦因子 的值或表达式。

本例使用管属性 节点来定义管的形状、管模型和流阻，其中还可以从预定义的列表中选择表面粗糙度数据。

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，其中通过设置流体速度和压力的先验 条件，并使用一维能量平衡原理来确定曲线段或直线中的温度分布。这些线可以在二维或三维中绘制，以简化表示空心管的形状。此外，还提供一个具有壁（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，提供了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”中找到更详细的传热分析描述。

您可以使用管道传热 接口对不同模式的集热器进行建模，并使用壁传热 特征来设置跨管壁的热交换。结果显示一种模式在两天后的管道温度分布。

接头、入口、阀、弯头和泵

为了研究常见管网元素对压力突变的影响，“管道流模块”引入了一系列特征，以考虑由不可逆湍流摩擦引起的额外压力损失，这种摩擦通常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等入口条件。

除了沿管道延伸方向的连续摩擦压降以外，还可以通过广泛的行业标准损耗系数库来计算组件中由于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，并且其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 和多路接头，以指定由不可逆湍流摩擦引起的额外损失。

本例将接头、弯头和泵添加到管网中，以模拟耦合流动、传热以及结构变形和应力。为了更好地将复杂的系统可视化，您可以使用物理符号（图标）在用户界面 (UI) 中表示阀、泵、接头、弯头和收缩或膨胀。

管的力学分析

管力学 接口可用于计算管在各种载荷（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。通过与附加的结构力学模块耦合使用，您可以使用结构-管连接 多物理场节点将结构力学 与管力学 接口进行耦合。

本例使用管网对耦合流动和结构变形进行建模。结果显示沿变形管道的压力和 von Mises 应力分布。

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呈线性关系，而在非牛顿流体中，剪切速率和剪切应力之间的关系则可以是非线性的。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。

在牛顿流体类型中，我们还提供了两个气-液选项：气-液摩擦因子乘子，用于修改单相牛顿流体的达西摩擦因子；以及气-液有效雷诺数，用于在压力损失计算中使用经过调整的有效黏度来计算雷诺数。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，即，在管道系统中输送气体混合物。

管道流 接口为达西摩擦因子 提供一个内置表达式库，其中涵盖层流和湍流状态以及牛顿和非牛顿流体。

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可能导致管道系统产生超压，进而引发系统故障。“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，并同时考虑流体和高壁的弹性属性。

本例使用水锤 接口分析由蓄水池、管和阀组成的管道系统。结果显示在压力传感器处测量的超压历史和 0.24 秒时的声压。

声波的传播

声波在柔性管道中的传播是设计、规划和建设这些网络的一个关键因素。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。

通过将与附加的声学模块耦合使用，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，使您能够在频域和时域仿真中将压力声学 接口与管道声学 接口耦合，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。

本例通过耦合“管道声学”与“压力声学”接口来分析声波在大型管道系统中的传播。结果显示管道系统中各个点的瞬态压力分布。

化学物质传递

“管道流模块”能够模拟流经细管的流体中稀浓度化合物的传递，使您能够进行复杂的化学反应建模，可以在同一模型中集成质量传递、化学动力学、传热和压降计算的功能。

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。在计算过程中，我们综合考虑了扩散、弥散、对流和化学反应等多种因素，以确保仿真结果的准确性。

本例使用稀物质传递 接口通过对二维和三维中的线进行一维假设，来模拟管道和通道中的浓度分布。结果显示螺旋形实验室规模反应器中反应溶质的浓度。