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管道流動模組（Pipe Flow Module），作為COMSOL Multiphysics®的附加產品，用於模擬流體流動、熱和質量傳遞以及聲學，以及管道的機械行為。在COMSOL Multiphysics®中，管道被表示為1D線段，與對3D管道進行網格劃分和計算流動相比，顯著減少了計算資源的需求。這種方法允許您設計和優化複雜的管道應用，包括建築中的通風系統、石油行業中的管線、地熱應用中的管網以及水分配系統。

除了模擬管內效應外，1D線段還可以嵌入到更大的3D體積中，以模擬管道周圍環境的影響。例如，您可以模擬發動機缸體（engine blocks）和注塑模具（injection molds）中的冷卻管道，或地熱應用中的加熱管道。管道流動模組（Pipe Flow Module）可以與COMSOL產品套件中的其他模組結合使用，進一步擴展模擬層流（laminar flow）和湍流（turbulent flow）、固體和殼體力學（solid and shell mechanics）、壓力聲學（pressure acoustics）等多物理場（multiphysics）能力。

高效的管道流動模擬

管道是具有高長寬比的物體，因此使用線條和曲線而不是體積元素可以讓您在不需要解析完整流場的情況下模擬管道系統。軟體沿著您整體模擬過程中的線條和曲線求解截面平均變量，同時仍然允許您在這些網絡內完整描述過程變量。

 

管道流動模組（Pipe Flow Module）提供專門的功能，用於定義管道或管道內流體的動量、能量和質量的保守。管道沿長度的壓力損失使用摩擦因數和相對表面粗糙度值來描述。基於這種描述，您可以模擬管道中的流量、壓力、溫度和濃度。


建立單物理場和多物理場模型

在COMSOL Multiphysics®中模擬多物理場現象與解決單一物理場問題沒有什麼不同

放空罐子（Discharging Tanks）

計算罐子中的壓力降和初始流量。

地熱系統（Geothermal Systems）

模擬地熱系統及其與周圍環境的相互作用。

熱交換器（Heat Exchangers）

模擬熱交換器的流動和熱傳遞。

水錘方程（Water Hammer Equations）

分析液壓瞬態的傳播。

探針管麥克風（Probe Tube Microphones）1

使用1D和3D耦合調查麥克風的靈敏度。

冷卻系統（Cooling Systems）

模擬注塑件的冷卻。

管網（Pipe Networks）2

優化管網布局以提高效率。

絕緣（Insulation）

模擬管道中的油品運輸。

層流和湍流（Laminar and Turbulent Flows）3

將管道流動域與3D流體域結合，適用於層流和湍流。

非等溫流動（Nonisothermal Flow）

同時解決流動、壓力和溫度。

  1. 需要聲學模組（Acoustics Module）
  2. 需要最佳化模組（Optimization Module）
  3. 需要CFD模組（CFD Module）或熱傳模組（Heat Transfer Module）


管道流動模組的特點和功能

管道流動模組（Pipe Flow Module）是對其他具有流體流動功能的附加模組的補充

管道流動

管道流動模組（Pipe Flow Module）包含內置的物理場界面，用於定義管道或管道系統內流體的動量、能量和質量的保守。管道流動界面（Pipe Flow interface）用於計算不同形狀的管道和管道中的速度和壓力場。它通過曲線段或線段中的1D假設來近似管道流動剖面。這些線條可以在2D或3D中繪製，代表空心管的簡化。

 

對於CFD模組（CFD Module）和熱傳遞模組（Heat Transfer Module）的用戶，當管道系統開放到更大的流體體積時，提供了一個管道連接多物理場耦合（Pipe Connection multiphysics coupling）。這個功能將1D管道段（使用管道流動界面模擬）與3D單相流體連接起來，以提供質量通量和壓力的連續性，無論方向如何。

摩擦模型

管道橫截面上的流動、壓力、溫度和濃度場被模擬為橫截面平均量，這些量僅沿著管道和管道的長度變化。對於單相流，管道或管道組件沿長度的壓力損失使用摩擦因數表達式來描述。

 

可用的牛頓流體摩擦模型包括Churchill、Wood、Haaland、Von Karman和Swamee-Jain。當選擇其中一種摩擦模型時，可以從預定義列表中選擇表面粗糙度數據。

 

對於圓形橫截面管道中的非牛頓流體，Power-law流體可使用Irvine和Stokes摩擦模型，Bingham流體可使用Darby模型，Herschel-Bulkley流體可使用Swamee-Aggarwal模型。對於非圓形橫截面管道中的非牛頓流體，可以為達西摩擦因數（Darcy friction factor）輸入一個值或表達式。

熱傳遞

管道中的熱傳遞界面（Heat Transfer in Pipes interface）用於模擬不同形狀的管道和管道中已知流體速度和壓力的情況下，通過傳導和對流進行的熱傳遞。該界面使用1D能量平衡來確定曲線段或線段中的溫度剖面。這些線條可以在2D或3D中繪製，代表空心管的簡化。包括多層牆壁和包層等牆面熱傳遞模擬功能作為選項。非等溫管道流動界面（Nonisothermal Pipe Flow interface）通過提供計算速度和壓力場的方程式來擴展此物理場界面，以應對它們未知的情況。更詳細的熱傳遞描述，如3D湍流模型或涉及表面對表面輻射的問題，可以在熱傳遞模組（Heat Transfer Module）中找到。

接頭、進口、閥門、彎頭和泵

為了考慮管網常見元件突然壓力變化的相關性，管道流動模組（Pipe Flow Module）包含了引入由於在彎頭、閥門、泵或管道系統中的收縮或擴張處與一點相關的不可逆湍流摩擦而產生的額外壓力損失的功能。進口（Inlet）功能可用於設定描述流體流動的速度、體積流量或質量流量進口條件。

 

除了沿管道延伸的連續摩擦壓力降外，通過廣泛的行業標準損失係數庫計算組件中的動量變化所導致的壓力降。管接頭中的摩擦損失由許多變量特徵化，幾何形狀可能因角度、截面和分支數量而不同。管道流動模組提供了多種接頭類型，可作為分流或合流，如T型接頭（T-junction）、Y型接頭（Y-junction）和N路接頭（N-way junction），以指定由於不可逆湍流摩擦而產生的額外損失。

管道的機械分析

管道力學界面（Pipe Mechanics interface）用於計算管道中的應力和變形，這些管道承受內部壓力、接頭力和軸向拖曳力等負載。流體-管道互動，固定幾何多物理場耦合（Fluid-Pipe Interaction, Fixed Geometry multiphysics coupling）可用於模擬管道中的流動引起的負載，如壓力和拖曳力、彎曲管道中的離心力，以及彎頭和接頭處的流體負載。有了附加的結構力學模組（Structural Mechanics Module），結構-管道連接多物理場節點（Structure-Pipe Connection multiphysics node）可用於將結構力學界面與管道力學界面耦合。

非牛頓流體和多相流動

對於單相流動模擬，流體可以根據其對剪切應力的反應和作用來特徵化。牛頓流體（Newtonian fluids）在剪切速率和剪切應力之間有線性關係。對於非牛頓流體（non-Newtonian fluids），剪切速率和剪切應力之間的關係可以是非線性的。賓漢塑性流體模型（Bingham plastic fluid model）可用於描述具有屈服應力的黏塑性流體。對於剪切稀化流體（shear-thinning fluids）和剪切增稠流體（shear-thickening fluids），可用功率定律流體模型（Power law fluid model）。赫歇爾-巴克利流體模型（Herschel-Bulkley fluid model）用於描述非牛頓流體的流變行為，並模擬表現出黏塑性行為的流體流動。使用非牛頓流體模型，您可以模擬水和礦物懸浮液等現象。

 

牛頓流體類型還有兩個氣-液選項：氣-液，摩擦因數乘數（Gas-Liquid, friction factor multiplier），它修改單相牛頓達西摩擦因數；和氣-液，有效雷諾數（Gas-Liquid, effective Reynolds number），它使用一個有效的、調整的黏度來計算壓力損失計算中的雷諾數。兩相氣-液流動是核工業、石油和天然氣以及制冷行業中常見的現象，其中氣體混合物在管道系統中運輸。

水錘分析

當管網中的閥門迅速關閉時，會產生稱為水錘的液壓瞬態。這些液壓瞬態的傳播，在極端情況下，可能導致過壓，從而導致管道系統的失效。管道流動模組（Pipe Flow Module）中的水錘界面（Water Hammer interface）可用於通過考慮流體和高壁的彈性特性來模擬由於液壓瞬態引起的可壓縮流動。

聲波傳播

沿著柔性管道的聲波傳播是設計、規劃和建造這些網絡的一個影響因素。管道聲學界面（Pipe Acoustics interfaces）可用於對管道系統中聲波傳播的1D模擬。

 

使用聲學模組（Acoustics Module）附加模組，您可以在頻率域和時間域中進行3D到1D的聲學分析。為了計算在靜止背景條件下流體中聲波的傳播，提供了壓力聲學，頻率域界面（Pressure Acoustics, Frequency Domain interface）用於時諧分析，以及壓力聲學，瞬態界面（Pressure Acoustics, Transient interface）用於瞬態模擬。

 

聲學模組還提供了聲學-管道聲學連接多物理場耦合（Acoustic-Pipe Acoustic Connection multiphysics coupling），以將壓力聲學界面與管道聲學界面在頻率域和時間域模擬中結合起來。該耦合在管道聲學界面中的一點與壓力聲學界面中的邊界之間定義。

化學物種傳輸

憑藉其模擬通過細管流動的流體中稀釋化學化合物轉移的能力，管道流動模組（Pipe Flow Module）允許進行複雜的化學反應模擬。這可以包括在同一模型中進行質量傳遞、化學動力學、熱傳遞和壓力降計算。

 

管道中稀釋物種傳輸界面（Transport of Diluted Species in Pipes interface）為管道解決質量平衡方程，以計算稀溶液中溶質的濃度分佈，考慮到擴散、分散、對流和化學反應。

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