COMSOL Pipe Flow Module 6.4
DESCRIPCIÓN
El Pipe Flow Module se utiliza para simulaciones de flujo de fluido, transferencia de masa y calor, transitorios hidráulicos, y acústica en tuberías y redes de canales.
Las simulaciones de flujo de tuberías dan la velocidad, variaciones de presión y temperatura a lo largo de tuberías y canales. El módulo es apropiado para tuberías y canales que tienen longitudes suficientemente grandes para que el flujo en ellos se pueda considerar que está completamente desarrollado y representado mediante una aproximación 1D.
CARACTERÍSTICAS
El módulo puede ser utilizado para diseñar y optimizar sistemas de refrigeración complejos en turbinas, sistemas de ventilación en edificios, sistemas de tuberías en procesos químicos y líneas de tuberías en la industria petrolífera y de gas. Las interfaces de usuario para los componentes de tuberías como recodos, válvulas, uniones en T, contracciones/expansiones y bombas están disponibles, mientras que también se incluye uno para simulaciones de golpe de ariete.
SECTORES
Pipe Flow Module le permitirá responder a éstas y otras preguntas que se pueda formular:
- ¿Cuál es la tasa de flujo de fluidos en diferentes partes de una red de tuberías?
- ¿Cuál es la presión local y la caída de la presión total?
- ¿Qué diámetro de tubería y rugosidad de superficie se requieren?
- ¿Cuál es la temperatura máxima y el calor intercambiado?
- ¿Cuántas ramas son necesarias en un sistema múltiple para alcanzar el enfriamiento requerido?
- ¿Cuál es la presión de pico (ondas elásticas transitorias)?
Sus campos de aplicación son:
- Hidráulica
- Sistemas de distribución de aguas
- Energía nuclear, hídrica o geotérmica
- Sistemas de refrigeración en motores de combustión y turbomáquinas
- Sistemas de calentamiento
- Sistemas de tuberías en refinerías de petroleo, tuberías
- Lubricación
- Minería
- Bioingeniería
- Plantas químicas
- Equipamientos petrolíferos, tuberías de agua industrial, plantas hidroeléctricas, etc.
- Industria de automoción
- Sistemas silenciadores. Propagación de ruido en sistemas de ventilación.
VERSIONES
6.4
NOVEDADES
6.4 introduce nuevas funciones para la simulación del control y las restricciones de flujo, además de capacidades ampliadas para simular perfiles de concentración en redes de tuberías y conectar sistemas de tuberías con dominios de volumen.
Características del modelo de regulación de caudal con orificio, válvula de control y válvula de 3 vías
Tres nuevas funciones amplían la interfaz Pipe Flow para un modelado más flexible de redes de tuberías. La función Orifice captura las caídas de presión tanto en aberturas con bordes afilados como redondeadas, lo que proporciona una representación precisa de las restricciones de caudal. La función Control Valve simula válvulas ajustables mediante coeficientes de pérdida o coeficientes de caudal estándar de la industria (Cv o Kv). La función 3-Way Valve permite la mezcla y desviación de caudales en redes con tres tuberías conectadas, así como la parametrización mediante coeficientes de pérdida o valores de Cv o Kv. Las funciones de válvulas permiten la simulación de válvulas ajustables con diferentes características de apertura, lo que permite representar una amplia gama de tipos de válvulas.
Geometría de una red de tuberías que incluye un orificio, una válvula de control y una válvula de tres vías. Los resultados ilustran la distribución de velocidad en toda la red.
Nuevas características de unión y extremo de tubería abierto
Las capacidades para simular perfiles de concentración en redes de tuberías se han ampliado con dos nuevas funciones. El nodo Junction captura la transferencia de masa en accesorios con tres o más tuberías conectadas. El nodo Open Pipe End conecta una tubería a sistemas externos, como tanques o depósitos, con una concentración específica. Ambas funciones admiten flujo reversible, adaptando automáticamente las condiciones de contorno a la dirección del flujo para obtener simulaciones más realistas y flexibles.
Ejemplo de una red de tuberías con una válvula de tres vías que dirige el flujo alternativamente a izquierda y derecha durante tres ciclos. La tubería inferior incluye una reacción. Los gráficos muestran el caudal molar y la distribución de velocidades.
Conexión de tuberías, acoplamiento de especies diluidas
Ahora es mucho más fácil conectar sistemas de tuberías con dominios de volumen mediante el nuevo acoplamiento multifísico Pipe Connection, Diluted Species. Este acoplamiento vincula segmentos de tubería 1D modelados con la interfaz Diluted Species in Pipes con dominios de volumen modelados con la interfaz Transport of Diluted Species. El acoplamiento proporciona una representación precisa de la transferencia de masa a través de los límites y admite el flujo reversible, adaptando automáticamente las condiciones de contorno a la dirección del flujo.
El flujo turbulento reactivo en una cuenca combina el flujo de fluidos con el transporte de especies diluidas. Con las funciones Conexión de Tubería y Conexión de Tubería, Especies Diluidas , la cuenca puede conectarse a una red de tuberías, lo que permite analizar tanto el rendimiento interno de la cuenca como su interacción con los sistemas de tuberías aguas arriba.
Modelo tutorial actualizado
Borehole Heat Exchanger
Isosuperficies de temperatura tras un año de funcionamiento alrededor de un conjunto de intercambiadores de calor de pozo (BHE) utilizados para la producción de energía geotérmica superficial. Debido a las enormes diferencias en las escalas de los radios y la profundidad de los pozos y tuberías, los BHE se modelan como líneas utilizando la interfaz de flujo de tuberías no isotérmicas . Los BHE se integran en un modelo de subsuelo estratificado, con flujo de agua subterránea en una de las capas geológicas.
6.3
NOVEDADES
La versión incorpora compatibilidad con conexiones de tuberías no isotérmicas y ofrece una visualización 3D completa de las tuberías, lo que permite trazar gráficamente variables como la tensión y la temperatura en las paredes de las tuberías.
Conexión de tuberías no isotérmicas
La función de acoplamiento Pipe Connection ahora admite flujo no isotérmico además de flujo isotérmico cuando tanto la interfaz Heat Transfer in Solids and Fluids y Heat Transfer in Pipes están incluidas en el modelo. Esta función acopla automáticamente el dominio de tuberías y los dominios de volumen tanto para el flujo de fluidos como para la transferencia de calor, lo que de otro modo requeriría la configuración manual de operadores de acoplamiento. Además, esta actualización permite variaciones de temperatura en simulaciones de flujo de tuberías sin requerir el módulo de transferencia de calor (Heat Transfer Module); solo se necesita el módulo Pipe Flow Module.
Distribución de presión en los canales de refrigeración de un sistema de almacenamiento de energía en baterías (BESS). Las interfaces Pipe Flow y Heat Transfer in Pipes se utilizan para las tuberías de entrada y salida. La interfaz Nonisothermal Flow se utiliza para el flujo de fluido en los canales de refrigeración en forma de serpentina. El acoplamiento multifísico Pipe Connection conecta el flujo de fluido en los canales de refrigeración con el flujo en las tuberías.
Visualización 3D de tuberías
Las interfaces de tuberías ahora admiten una visualización 3D completa, lo que representa con precisión las formas de las tuberías y permite trazar gráficamente de forma detallada variables como la tensión y la variación de temperatura en las paredes de las tuberías mediante el conjunto de datos Pipe. Se han añadido varios tipos de gráficos nuevos a las plantillas de resultados, lo que permite a los usuarios visualizar la geometría, la tensión, la temperatura y la presión directamente en los modelos de tuberías 3D.
Distribución de tensión y presión en una tubería según von Mises.
6.1
NOVEDADES
La versión 6.1 presenta un nuevo acoplamiento multifísico para tener en cuenta el intercambio de calor a través de una pared de tubería, nuevas geometrías parametrizadas en la biblioteca de piezas y mejoras para los análisis mecánicos de tuberías.
Transferencia de calor de pared de tubería
Hay un nuevo acoplamiento multifísico de Pipe Wall Heat Transfer disponible para conectar:
- Dominios que se modelan utilizando las interfaces de Heat Transfer
- Aristas modeladas utilizando la interfaz Heat Transfer in Pipes o la interfaz Nonisothermal Pipe Flow
Los modelos existentes de "Cooling of an Injection Mold" y "Ground Heat Recovery for Radiant Floor Heating" muestran esta nueva función.
Distribución de temperatura en un modelo de molde de enfriamiento.
Biblioteca de geometrías de tuberías
En las bibliotecas de partes, se han añadido una serie de geometrías parametrizadas para tuberías: straight, bend, reducer y t-junction. Estas geometrías se pueden utilizar, por ejemplo, para un análisis detallado utilizando las interfaces Fluid Flow o Structural Mechanics. Dichos modelos 3D se pueden conectar directamente a la interfaz Pipe Flow o Pipe Mechanics a través de los acoplamientos multifísicos Pipe Connection o Structure-Pipe Connection.
Las nuevas geometrías de tuberías, mostrada en la Biblioteca de partes.
Distribución de velocidades en un sistema de tuberías. El reductor se modela utilizando una interfaz Fluid Flow que es conectada a las tuberías por medio del acoplamiento Pipe Connection. La geometría del dominio fluido se obtiene de las bibliotecas de partes.
Mejoras en el análisis mecánico de tuberías
Para el análisis de tuberías, se dispone de las siguientes actualizaciones:
- En la interfaz Pipe Mechanics ahora pueden especificarse factores de corrección para la flexibilidad y las tensiones en las curvas de tuberías.
- Ahora se puede entrar un grosor de pared reducido para evaluar la tensión. Esto se utiliza, por ejemplo, para tener en cuenta un margen de corrosión.
Modelos de curvas de tuberías mostrando la tensión (arriba) y la amplitud del desplazamiento (abajo).
tensiones y deformaciones en una tubería sujeta a curvatura, modelado con las interfaces Solid Mechanics y Pipe Mechanics. La geometría sólida se obtiene de la biblioteca de partes.
6
NOVEDADES
La versión 6.0 trae un nuevo coeficiente de fricción predefinido para el flujo no newtoniano en tuberías y una nueva opción para el modelado de uniones en T.
Flujo no newtoniano en tuberías
Ya está disponible un nuevo modelo de fluidos de Herschel-Bulkley para la interfaz Pipe Flow. Este modelo se usa a menudo para describir el comportamiento reológico de fluidos no newtonianos y es una generalización de los modelos de ley de Bingham y Power. El modelo de Herschel-Bulkley permite simular el flujo de fluidos que muestran un comportamiento viscoplástico. Ejemplos prácticos de tales materiales son grasas, suspensiones coloidales, pastas de almidón, pasta de dientes, pinturas y fluidos de perforación.
Distribución de presión en un modelo de red de tuberías.
Modelo mejorado para uniones en T
La interfaz Pipe Flow ahora incluye una opción adicional para la especificación de la unión en T llamada Coeficiente de pérdida con respecto a la rama común, disponible en el nodo de la Unión en T. Esta opción calcula automáticamente los coeficientes de pérdida adimensionales que representan una situación de flujo particular, por ejemplo, si el flujo en la unión se está uniendo o separando.
Distribución de velocidades y presiones en la red de tuberías con un empalme de unión y otro de separación.
Nuevos modelos tutoriales
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Topology Optimization of a District Heating Network |
Stress in Cooling Pipeline Network |
5.6
NOVEDADES
Interfaz multifísica Interacción fluido-tubería, geometría fija
La nueva interfaz
Interacción fluido-tubería, geometría fija
puede ser utilizada para tener en cuenta el efecto de la carga del fluido sobre el análisis estructural cuando se modela interacción fluido-estructura (FSI). El nuevo acoplamiento multifísico Interacción fluido-tubería conecta las interfaces Flujo en tuberías y Mecánica de tuberías. Se tienen en cuenta la presión interna, las fuerzas de arrastre, cargas en curvas, y cargas en las uniones, para obtener simulaciones FSI más precisas. Puede verse una demostración de la nueva interfaz en el modelo "Coupled Analysis of Flow and Stress in a Pipe".
Tensiones y deformaciones en la tubería mediante el acoplamiento multifísico de interacción fluido-tubería.
Restricciones unidireccionales para Vigas y tuberías
En las interfaz Viga y Mecánica de tuberías, el nodo Desplazamiento prescrito/rotación se ha ampliado con una opción llamada Desplazamiento limitado. Cuando esta opción es seleccionada, se puede definir un límite superior e inferior para el desplazamiento. En particular, esto facilita el modelado de vigas descansando en soportes unidireccionales.
Soporte unidireccional en el medio de una viga cargada uniformemente. El soporte se encuentra a cierta distancia por debajo de la viga. Las cuatro vigas son idénticas, excepto por el tamaño de la carga. Las barras grises ilustran los soportes, pero no forman parte del modelo.
Modelo tutorial actualizado
Coupled Analysis of Flow and Stress in a Pipe
Este modelo actualizado utiliza la nueva interfaz Interacción fluido-tubería, geometría fija para analizar las tensiones en una tubería sujeta a cargas de fluidos y gravedad. Los resultados muestran la presión y la velocidad del fluido (abajo) y la tensión y deformación de von Mises (arriba).
5.5
NOVEDADES
La nueva versión incorpora una nueva interfaz física para realizar análisis de tensión en sistemas de tuberías, un nuevo acoplamiento multifísico para acoplar acústica de presión con acústica de tuberías, y una búsqueda automática para encontrar uniones T y Y en un sistema de tuberías.
Análisis mecánico de tuberías
La nueva interfaz Pipe Mechanics proporciona funcionalidad para realizar análisis de tensiones de sistemas de tuberías. Además de las cargas mecánicas externas se puede tener en cuenta la presión interna, fuerzas de arrastre axial, y gradientes de temperatura a través de la pared de la tubería. Las cargas del fluido pueden tomarse directamente de la interfaz Pipe Flow, y las temperaturas pueden tomarse de la interfaz Heat Transfer in Pipes. Puede verse esta nueva interfaz en el modelo Coupled Analysis of Flow and Stress in a Pipe.
Resultados de un análisis de flujo, transferencia de calor y mecánica acoplados en un sistema de tuberías: presión in velocidad (izquierda), temperatura (en medio), y tensiones con deformación exagerada (derecha).
Acoplamiento multifísico de conexión acústica - acústica de tuberías
Con el nuevo acoplamiento multifísico Acoustic-Pipe Acoustic Connection se pueden acoplar las interfaces de presión acústica a las interfaces de acústica de tubos tanto en simulaciones en los dominios de la frecuencia y tiempo. El acoplamiento se define entre un punto en la interfaz y un contorno en la interfaz de acústica de presión. Puede verse esta funcionalidad utilizada en los modelos Probe Tube Microphone y Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction.
Uso del nuevo acoplamiento multifísico Acoustics-Pipe Acoustic Connection en el modelo tutorial Acoustics of a Pipe System with 3D Bend and Junction.
Selección automática de uniones-T y uniones-Y
El software ahora puede automáticamente añadir a la selección, uniones-T y uniones-Y del sistema de tuberías, basándose en los ángulos entre ramas en una unión. Esto simplifica significativamente el modelado de grandes redes de tuberías, ya que no es necesario seleccionar los puntos manualmente. Por defecto sigue habiendo una selección manual, pero puede desmarcarse un nuevo control Manual del cuadro de selecciones, y el software añadirá los puntos apropiados a la selección. También puede marcarse la casilla Enable physics symbols en el nodo de interfaz Pipe Flow para ver los símbolos en la ventana de Gráficos.
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5.4
NOVEDADES
Nuevos acoplamientos multifísicos entre la interfaz Pipe Flow y Single-Phase Flow
Conectar un segmento de tubería modelado con la interfaz Pipe Flow con una cuerpo de flujo monofásico 3D es significativamente más fácil a través de la introducción del nuevo acoplamiento multifísico: Pipe Connection. Los nodos antiguos Pipe Connection dentro de las interfaces Pipe Flow y Laminar Flow ahora son obsoletas, ya que la misma funcionalida está disponible de una forma más conveniente utilizando este nuevo acoplamiento.
5.2a
NOVEDADES
Pipe Flow Module 5.2a permite visualizar sistemas de tuberías complejos a través de simples iconos, se ha añadido también nueva funcionalidad para especificar las curvas de bombeo basándose en datos de fabricantes para la funcionalidad Inlet.
Iconos gráficos para sistemas de tuberías complejos
Se han introducido iconos amigables para condiciones de contorno de puntos internos para dar una visión general más clara de sistemas de tuberías complejos. Se dispone de iconos para válvulas, bombas, uniones, curvas y contracciones/expansiones en la interfaz gráfica de usuario (GUI).
Un sistema de tuberías con iconos gráficos para válvulas, bombas, uniones, curvas y contracciones/expansiones.
Datos de curva de bombeo
Una nueva funcionalidad permite especificar curvas de las bombas. Previamente, se tenía que introducir una expresión para el nivel de flujo en un contorno como función de la presión en este mismo contorno. En la nueva condición de contorno de Bomba, esta entrada es más fácil con una nueva opción que permite utilizar datos de la curva de la bomba (altura de impulsión vs. caudal) proporcionada por el fabricante. Se pueden entrar las curvas de la bomba como una expresión, una tabla o a partir de un archivo.
Nuevas opciones para la funcionalidad Inlet
Se han proporcionado una amplia variedad de opciones de modelado predefinidas para la condición de contorno Inlet, que tenía que ser especificada manualmente a través de funciones en las versiones anteriores. Además de la condición de contorno interna de Bomba, se puede aplicar la condición de Bomba en las tomas de entrada. También se dispone de una opción de Depósito para modelar la pérdida de altura de impulsión a la entrada de la tubería conectada a un depósito grande.
5.2
Nueva app: Bomba de calor geotérmico
El calentamiento geotérmico es un método ambientalmente amigable y eficiente energéticamente para proporcionar calor a las casas modernas y bien aisladas. Unos intercambiadores de calor situados a suficiente profundidad en la tierra debajo de la casa utilizan el calor del subsuelo, donde las temperaturas son prácticamente constantes durante todo el año.
La app de diseño Geothermal Heat Pump estudia diferentes configuraciones de tuberías de un intercambiador de calor terrestre. Proporciona información del rendimiento de intercambiadores de calor acoplados en la tierra para diferentes especificaciones (profundidad, patrón, configuración de tuberías y condiciones de calentamiento); condiciones de temperatura, conductividad térmica del suelo y gradiente de temperatura.
El calentador también puede apagarse si se alcanza la demanda de calor diaria y encenderse otra vez después de 24 horas. La temperatura a la salida de la tubería puede controlarse y compararse con la temperatura mínima requerida en las especificaciones del intercambiador de calor.
Campo de temperaturas calculado por la app Geothermal Heat Pump a partir de los ajustes operacionales definidos por el usuario.
Nueva app: Diseño de un tubo de órgano
La app Organ Pipe Design permite estudiar el diseño de un tubo de órgano, y entonces tocar el sonido y comprobar los cambios del tono diseñado en una app amigable. El sonido del tubo incluye los efectos de diferentes armónicos con diferentes amplitudes.
El tubo de órgano se modela utilizando la interfaz Pipe Acoustics, Frequency Domain en COMSOL Multiphysics. La app de simulación permite analizar cómo varía la frecuencia de resonancia del primer fundamental varía con el radio y el grosor del tubo, así como con la presión y temperatura ambiental.
Utilizando la app, se puede encontrar la respuesta frecuencial completa, incluyendo la frecuencia fundamental y los armónicos. Con un método escrito en código Java®, la app detectará las posiciones y amplitud de todos los armónicos en la respuesta, así como extender el análisis más allá de la funcionalidad incluida en la interfaz de usuario de COMSOL Multiphysics.
Interfaz de usuario para la app Organ Pipe Design, mostrando la respuesta SPL.
Interfaz de flujo de tubería mejorada
La interfaz Pipe Flow ha sido modificada con un término inercial. Esto significa que las tuberías cuya sección diverge o converge gradualmente tendrán en cuenta de forma adecuada el cambio de presión debido al cambio de velocidad (efecto Bernoulli). También, las expansiones y contracciones súbitas son tenidas en cuenta de forma adecuada para el efecto Bernoulli. Ahora las funciones de estabilización y de forma de elemento actualizadas permiten flujos compresibles para Ma < 0.3. Los modelos creados en versiones previas de COMSOL Multiphysics se abren utilizando la vieja interfaz con una notificación. Para nuevos modelos, únicamente se dispone de la nueva interfaz en la lista de interfaces físicas.
5.1
NOVEDADES
Mejoras en las especificaciones de caída de presión en juntas de flujo de tuberías
Se dispone de nuevas opciones de pérdidas de presión para juntas en T y se han añadido dos nuevos tipos de juntas: juntas en Y y juntas de n-vías. La lista completa de actualizaciones es la siguiente:
- Las uniones en T, curvas y válvulas ahora tienen la opción para especificar caídas de presión con una expresión arbitraria. Anteriormente la correlación del factor de pérdidas,
.png)
, donde el usuario especifica Kf, era la única forma de especificar las caídas de presión en juntas y válvulas. Esto significa que ahora se puede especificar una correlación de caída de presión lineal, por ejemplo, un enchufe poroso o filtro. - Adición de la caída de presión en juntas en Y, tanto con factor de pérdidas como especificación de caída de presión arbitraria.
- Adición de caída de presión en una junta de n-vías.
- Adición de ajustes de tolerancia de ángulo bajo la sección Avanzada en la unión en T y en Y para hacer posible ajustar la tolerancia para la geometría para que no sea exactamente en T o en Y.
- Errores no críticos en la geometría para la unión en T generará una advertencia cuando se resuelva y no interrumpirá la solución como ocurría anteriormente.
- El código de análisis de geometría para uniones en T y en Y ahora permiten segmentos curvos conectados a una unión.
 Ahora se pueden añadir correlaciones de caídas de presión arbitrarias. |
 Las caídas de presión en uniones en son nuevas funcionalidades, con especificaciones de factor de pérdidas y de caída de presión arbitraria. |
 Nueva funcionalidad: caída de presión en unión de n vías. |
5.0
Funcionalidad de Conexión de Pipe Flow
La interfaz de Flujo Laminar 3D ahora puede acoplarse a una interfaz de Flujo de Tuberías 1D a través de la funcionalidad de Conexión de Tuberías
Trabajo de presión en Flujo en Tubería no isotérmico
La interfaz de Flujo en Tubería No Isotérmico ahora tiene una término opcional de Trabajo de Presión que puede activarse cuando la caída de la presión se espera que sea considerable y el fluido sea compresible. El término de Trabajo de Presión se añade en la ecuación del calor.
Recuperación del calor del suelo: La recuperación del calor del suelo es un método de energía eficiente para proporcionar calor a las casa donde existen colectores de calor en un entorno subterráneo. Este modelo compara diferentes patrones incrustados en el subsuelo con propiedades térmicas típicas de una capa superior de suelo en un jardín.
COMSOL Multiphysics 6.4