Fluidi in tubazioni

Il Pipe Flow Module contiene interfacce fisiche integrate che definiscono la conservazione della quantità di moto, dell'energia e della massa del fluido all'interno di un sistema di tubi o canali. L'interfaccia Pipe Flow è utilizzata per calcolare i campi di velocità e pressione in tubi e canali di forme diverse. L'interfaccia approssima il profilo di flusso del tubo mediante ipotesi 1D in segmenti curvi o linee. Queste linee possono essere disegnate in 2D o 3D e rappresentano semplificazioni di tubi cavi.

Per gli utenti del CFD Module e dell'Heat Transfer Module, è disponibile un accoppiamento multifisico Pipe Connection per i casi in cui i sistemi di tubazioni si aprano a un volume di fluido maggiore. Questa funzione accoppia un segmento di tubo 1D (modellato con l'interfaccia Pipe Flow) con un flusso monofase 3D per garantire la continuità del flusso di massa e della pressione, indipendentemente dalla direzione.

Trasferimento di calore

L'interfaccia Heat Transfer in Pipes è utilizzata per modellare il trasferimento di calore per conduzione e convezione in tubi e canali di forme diverse, dove la velocità e la pressione del fluido sono note a priori. L'interfaccia utilizza il bilancio energetico 1D per determinare i profili di temperatura in segmenti di curva o linee. Queste linee possono essere disegnate in 2D o 3D e rappresentano semplificazioni di tubi cavi. La funzionalità per la modellazione del trasferimento di calore delle pareti, comprese le pareti multistrato e i rivestimenti, è inclusa come opzione. L'interfaccia Nonisothermal Pipe Flow estende questa interfaccia fisica fornendo equazioni per calcolare i campi di velocità e pressione quando non sono noti. Descrizioni più approfondite del trasferimento di calore, come i modelli di flusso turbolento 3D o i problemi che coinvolgono l'irraggiamento da superficie a superficie, sono disponibili nell'Heat Transfer Module.

Analisi meccanica dei tubi

L'interfaccia Pipe Mechanical è utilizzata per calcolare le sollecitazioni e le deformazioni in tubi con carichi quali la pressione interna, le forze di giunzione e le forze di trascinamento assiale. L'accoppiamento multifisico Fluid-Pipe Interaction, Fixed Geometry può essere utilizzato per modellare i carichi indotti dal flusso nei tubi, come le forze di pressione e di trascinamento, le forze centrifughe nei tubi curvi e i carichi del fluido nelle curve e nelle giunzioni. Con il modulo aggiuntivo Structural Mechanics Module, è disponibile un nodo multifisico Structure-Pipe Connection per accoppiare le interfacce Structural Mechanics con l'interfaccia Pipe Mechanics.

Analisi del colpo d'ariete

La chiusura rapida di una valvola in una rete di tubazioni dà origine a un transitorio idraulico noto come colpo d'ariete. La propagazione di questi transitori idraulici può, in casi estremi, causare sovrapressioni che portano a guasti nei sistemi di tubazioni. L'interfaccia Water Hammer del Pipe Flow Module può essere utilizzata per modellare il flusso comprimibile provocato da transitori idraulici rapidi, tenendo conto delle proprietà elastiche sia del fluido che dell'alta parete.

Trasporto di specie chimiche

Grazie alla possibilità di modellare il trasferimento di composti chimici diluiti in fluidi che scorrono attraverso tubi sottili, il Pipe Flow Module consente di modellare reazioni chimiche complesse. Ciò può includere il trasferimento di massa, la cinetica chimica, il trasferimento di calore e il calcolo delle perdite di carico nello stesso modello.

L'interfaccia Transport of Diluted Species in Pipes risolve un'equazione di bilancio di massa per le tubazioni al fine di calcolare la distribuzione della concentrazione di un soluto in una soluzione diluita, considerando la diffusione, la dispersione, la convezione e le reazioni chimiche.

Modelli di attrito

I campi di flusso, pressione, temperatura e concentrazione attraverso le sezioni trasversali dei tubi sono modellati come quantità medie della sezione trasversale, che variano solo attraverso la lunghezza dei tubi e dei canali. Per il flusso monofase, le perdite di pressione attraverso la lunghezza di un tubo o in un componente del tubo sono descritte utilizzando espressioni del fattore di attrito.

I modelli di attrito disponibili per i fluidi newtoniani includono Churchill, Wood, Haaland, Von Karman e Swamee-Jain. Quando si seleziona uno di questi modelli di attrito, i dati di rugosità superficiale possono essere selezionati da un elenco predefinito.

Per i fluidi non newtoniani in tubi di sezione circolare, sono disponibili i modelli di attrito Irvine e Stokes per i fluidi Power-law, Darby per i fluidi Bingham e Swamee-Aggarwal per i fluidi Herschel-Bulkley. Per i fluidi non newtoniani in tubi di sezione non circolare, è possibile inserire un valore o un'espressione per il fattore di attrito Darcy.

Giunzioni, ingressi, valvole, curve e pompe

Per tenere conto delle correlazioni di variazione improvvisa della pressione per gli elementi comuni delle reti di tubazioni, il Pipe Flow Module include funzioni per introdurre perdite di pressione aggiuntive dovute all'attrito turbolento irreversibile in un punto associato a curve, valvole, pompe oppure contrazioni o espansioni in un sistema di tubazioni. È disponibile una funzione Inlet per impostare le condizioni di ingresso della velocità, della portata volumetrica o della portata massica che descrivono il flusso del fluido.

Oltre alle perdite di carico continue per attrito lungo i tratti di tubo, le perdite di carico dovute alle variazioni di quantità di moto nei componenti sono calcolate attraverso un'ampia libreria di coefficienti di perdita standard del settore. Le perdite per attrito nelle giunzioni dei tubi sono caratterizzate da molte variabili e le geometrie possono differire per angoli, sezioni trasversali e numero di rami. Il Pipe Flow Module offre una varietà di tipi di giunzione che possono agire come una suddivisione o una giunzione, come la giunzione a T, la giunzione a Y e la giunzione a N, per specificare le perdite aggiuntive dovute all'attrito turbolento irreversibile.

Fluidi non newtoniani e flussi multifase

Per la modellazione del flusso monofase, il fluido può essere caratterizzato in base alla sua risposta e alle azioni degli sforzi di taglio. I fluidi newtoniani hanno una relazione lineare tra la velocità di taglio e lo sforzo di taglio. Nel caso di fluidi non newtoniani, la relazione tra la velocità di taglio e le sollecitazioni di taglio può essere non lineare. Il modello di fluido plastico Bingham è disponibile per descrivere i fluidi viscoplastici che hanno una tensione di snervamento. Per i fluidi che si assottigliano al taglio e per quelli che si ispessiscono al taglio, è disponibile il modello di fluido Power law. Il modello di fluido Herschel-Bulkley è utilizzato per descrivere il comportamento reologico dei fluidi non newtoniani e per simulare il campo di moto di fluidi che presentano un comportamento viscoplastico. Con i modelli di fluidi non newtoniani è possibile modellare fenomeni come l'acqua e le sospensioni minerali.

Il tipo di fluido newtoniano ha anche due opzioni per i gas-liquidi: il Gas-Liquid, friction factor multiplier, che modifica il fattore di attrito Darcy newtoniano monofase, e il Gas-Liquid, effective Reynolds number, che utilizza una viscosità effettiva e corretta per calcolare il numero di Reynolds nei calcoli delle perdite di pressione. Il flusso bifase gas-liquido è un fenomeno comune nell'industria nucleare, petrolifera e della refrigerazione, dove le miscele di gas vengono trasportate in sistemi di tubazioni.

Propagazione delle onde acustiche

La propagazione delle onde acustiche lungo le tubazioni flessibili è un fattore che contribuisce alla progettazione, alla pianificazione e alla costruzione di queste reti. Le interfacce Pipe Acoustics possono essere utilizzate per la modellazione 1D della propagazione delle onde sonore nei sistemi di tubazioni.

Con il modulo aggiuntivo Acoustics Module è possibile eseguire analisi acustiche da 3D a 1D sia nel dominio della frequenza che del tempo. Per calcolare la propagazione delle onde acustiche nei fluidi in condizioni di fondo quiescente, è disponibile l'interfaccia Pressure Acoustics, Frequency Domain per le analisi nel dominio del tempo e l'interfaccia Pressure Acoustics, Transient per le simulazioni transitorie.

L'Acoustics Module fornisce anche un accoppiamento multifisico Acoustic-Pipe Acoustic Connection per combinare le interfacce Pressure Acoustics con le interfacce Pipe Acoustics nelle simulazioni nel dominio della frequenza e del tempo. L'accoppiamento è definito tra un punto dell'interfaccia di acustica dei tubi e un contorno dell'interfaccia di acustica della pressione.