Pipe Flow Module

Zur Modellierung von Transportphänomenen und Akustik in Rohrnetzen

Pipe Flow Module

Kühlung eines Spritzgusswerkzeugs für ein Steuerrad: Die nicht-isotherme Rohrströmung ist vollständig mit der Wärmetransportsimulation des Werkzeugs und des Polyurethan-Teils gekoppelt.

Berücksichtigung aller Prozessvariablen bei schonender Nutzung der Computerressourcen

Das Pipe Flow Module wird für die Simulation von Fluidströmungen, Wärmeübertragung, Stoffaustausch, instationären Strömungen und akustischen Bedingungen in Rohr- und Kanalnetzen verwendet. Dieses Modul kann problemlos in jedes andere Modul der COMSOL®-Produktpalette integriert werden, um die Auswirkungen von Rohrleitungen auf größere Rohrsysteme (z. B. auf Kühlrohre in Motorblöcken oder Kraftstoffleitungen und auf mit Behältern verbundene Produktkanäle) zu modellieren. Auf diese Weise benötigen Sie bei der gesamten Modellierung von Rohrnetzen nicht so viele Computerressourcen, können aber trotzdem eine vollständige Beschreibung der Prozessvariablen in diesen Netzen vornehmen. Rohrströmungssimulationen liefern Ergebnisse bezüglich Geschwindigkeit, Druck, Materialkonzentration und Temperaturverteilung in Rohren und Kanälen. Gleichzeitig lassen sich auch die Fortpflanzung von Schallwellen und Druckstöße simulieren.

Ideal zum Modellieren von inkompressiblen Fluidströmungsregimen

Das Pipe Flow Module eignet sich zum Modellieren inkompressibler Strömungen in Rohren und Kanälen, die lang genug sind, um die Strömung als voll entwickelt bezeichnen zu können. Damit der Rohrquerschnitt nicht mit einem 2D- oder 3D-Netz vernetzt werden muss, werden Kantenelemente verwendet, die entlang der Kanten mit einer tangentialen Durchschnittsgeschwindigkeitskomponente versehen sind. Das bedeutet, dass die modellierten Variablen in den Rohrquerschnitten gemittelt werden und nur hinsichtlich der Rohrlänge variieren. Die integrierten Ausdrücke für Darcy-Reibungsbeiwerte beziehen sich auf das gesamte Strömungsregime (einschließlich laminarer und turbulenter Strömung, newtonscher und nicht-newtonscher Fluide, unterschiedlicher Querschnittsformen oder -geometrien und einer Vielzahl von Rauheitswerten für Oberflächen). Diese Ausdrücke können hinsichtlich Position im Netz oder auch direkt in Bezug auf die modellierten Variablen abgewandelt werden.

Der Druckverlust in Rohrnetzen ist nicht nur auf Reibung zurückzuführen. Das Pipe Flow Module berücksichtigt auch die Effekte von Biegungen, Verengungen, Erweiterungen, T-Stücken und Ventilen, die anhand einer umfangreichen Bibliothek an branchenüblichen Standardverlustkoeffizienten berechnet werden. Außerdem stehen auch Pumpen als strömungsinduzierende Geräte zur Verfügung. Wie bei jedem anderen Physikinterface der COMSOL-Produktpalette können Sie auch hier die zugrunde liegenden Gleichungen bearbeiten, eigene Quellen- oder Senkenausdrücke hinzufügen und eine physikalische Eigenschaft als Funktion einer beliebigen Modellvariablen angeben. COMSOL Multiphysics® bietet außerdem die Möglichkeit, Daten zur Beschreibung einer bestimmten Materialeigenschaft oder eines Prozessparameters bzw. in MATLAB® geschriebene Subroutinen zu importieren.


Weitere Bilder

  • Teil des Wärmeerzeugungssystems ist ein Fluid, das in einem Becken zirkuliert. Es wurde sowohl das Temperaturprofil im System als auch der Druckverlust modelliert. Teil des Wärmeerzeugungssystems ist ein Fluid, das in einem Becken zirkuliert. Es wurde sowohl das Temperaturprofil im System als auch der Druckverlust modelliert.
  • Die Rohrakustik ist mit einem 3D-Druckakustik-Modell in einem Sondenrohrmikrofon gekoppelt. Die Rohrakustik ist mit einem 3D-Druckakustik-Modell in einem Sondenrohrmikrofon gekoppelt.
  • Druckschwankungen nach dem plötzlichen Schließen eines Ventils zur Untersuchung der Auswirkung von Druckstößen. Druckschwankungen nach dem plötzlichen Schließen eines Ventils zur Untersuchung der Auswirkung von Druckstößen.
  • Rückgewinnung von Wärme aus dem Boden ist eine energiesparende Methode, um Häuser mit Wärme zu versorgen. Hierzu werden Erdwärmekollektoren in den Untergrund verlegt. Dieses Modell vergleicht unterschiedliche Muster der Kollektoren im Untergrund mit typischen thermischen Eigenschaften der obersten Bodenschicht in einem Garten. Rückgewinnung von Wärme aus dem Boden ist eine energiesparende Methode, um Häuser mit Wärme zu versorgen. Hierzu werden Erdwärmekollektoren in den Untergrund verlegt. Dieses Modell vergleicht unterschiedliche Muster der Kollektoren im Untergrund mit typischen thermischen Eigenschaften der obersten Bodenschicht in einem Garten.
  • Fußbodenheizung und -kühlung ist eine Form der Zentralheizung und Kühlung, die eine Klimatisierung von Räumen zur thermischen Behaglichkeit durch Leitung, Strahlung und Konvektion erzielt. Im Vergleich zu Gebläsekonvektoren oder Wandstrahler liefert sie eine gleichmäßigere Erwärmung in einen Raum. Diese App simuliert die Balance zwischen Temperaturanforderungen und Druckabfall (Betriebskosten) in Verbindung mit Konstruktion und Materialkosten (Fixkosten) für verschiedene Bodenmaterialien und Abmessungen. Fußbodenheizung und -kühlung ist eine Form der Zentralheizung und Kühlung, die eine Klimatisierung von Räumen zur thermischen Behaglichkeit durch Leitung, Strahlung und Konvektion erzielt. Im Vergleich zu Gebläsekonvektoren oder Wandstrahler liefert sie eine gleichmäßigere Erwärmung in einen Raum. Diese App simuliert die Balance zwischen Temperaturanforderungen und Druckabfall (Betriebskosten) in Verbindung mit Konstruktion und Materialkosten (Fixkosten) für verschiedene Bodenmaterialien und Abmessungen.

Kopplung der Rohrströmung mit anderen physikalischen Phänomenen und Anwendungen

Die physikalischen Funktionen im Pipe Flow Module beschreiben die Erhaltung von Impuls, Energie und Masse der Fluide in einem Rohr- oder Kanalsystem. Diese Systeme können problemlos mit anderen Systemen gekoppelt werden, für die eine vollständige zwei- oder dreidimensionale Beschreibung der physikalischen Phänomene im System erforderlich ist, auch wenn sie nicht mittels Näherungsmethoden im Pipe Flow Module beschrieben werden können. Das Pipe Flow Module bietet die Möglichkeit, die Daten von Kanten auf Oberflächen oder Volumina (oder auch umgekehrt) abzubilden. Das bedeutet, dass die Strömung oder der Wärmetransport in einem Rohrnetz mit demselben Phänomen z. B. in einem vollständig vernetzten 3D-Behälter gekoppelt und gleichzeitig gelöst werden kann. Außerdem kann eine Kopplung auch zwischen unterschiedlichen physikalischen Formulierungen vorgenommen werden, wie das bei allen physikgestützten Produkten der COMSOL-Produktpalette der Fall ist. So kann beispielsweise eine Eigenschaft wie thermische Spannung (z. B. die thermische Spannungen in einem Motorblock mit Kühlkanälen) genauso problemlos berechnet werden.

Das Pipe Flow Module enthält spezielle, maßgeschneiderte Physikinterfaces für die Modellierung von Wärmeübertragung, Stoffaustausch und chemischen Reaktionen. Das Rohrnetz kann beispielsweise in eine 3D-Feststoffgebiet eingebettet werden. Beim Wärmetransport berechnet das Modul die Energiebilanz in den Rohrsystemen. Anteilmäßig einbezogen werden dabei auch die Wechselwirkungen mit dem 3D-Gebiet, die in den Rohrgleichungen als Quellen oder Senken ausgedrückt werden. Diese Berechnung erfolgt automatisch im Hintergrund, wenn Sie auf der Benutzeroberfläche eine Interaktion mit 2D- oder 3D-Feststoff aktivieren. Hier stehen im Pipe Flow Module auch Korrelationen hinsichtlich erzwungener und natürlicher Konvektion in Umgebung, Rohrmaterialien und Rohrwandstärken zur Auswahl. Über die Physikinterfaces für den Materialtransport wird eine Massebilanz im Rohrsystem berechnet. Bei gleichzeitiger Kopplung mit der Beschreibung der Rohrströmung werden auch Diffusion, Konvektion, Dispersion und chemische Reaktionen berücksichtigt.

Physikalische Funktionen zur Analyse von Druckstößen und Rohrakustik

Mittels Pipe Flow Module können kompressible Strömungen modelliert werden, die durch schnelle hydraulische Einschaltstöße verursacht werden, indem die elastischen Eigenschaften des Fluids und der Rohrwand mit berücksichtigen werden. Diese Effekte können durch schnell schließende Ventile entstehen und werden als Druckstoß oder Wasserhammer-Effekt bezeichnet.

Die Fortpflanzung von Schallwellen entlang flexibler Rohre ist ebenfalls ein Zusatzfaktor, der beim Entwurf, bei der Planung und beim Bau dieser Netze berücksichtigt werden muss. In Kombination mit dem Acoustics Module können Sie mittels Pipe Flow Module sowohl im Frequenz- als auch im Zeitbereich Akustikanalysen ausführen. Mit anderen Worten, die physikalischen Phänomene, die im Pipe Flow Module berechnet werden, können nahtlos mit anderen physikalischen Phänomenen im Rohrnetz und in dem System, welches das Rohrnetz umgibt, gekoppelt werden.

Bedeutung von Rohrströmungssimulationen für viele Branchen und Industriezweige

Das Pipe Flow Module eignet sich zum Modellieren aller Arten von Rohr- und Kanalnetzen, die mit Strömungen, Stoffaustausch, Wärmetransport und Fortpflanzung von Schallwellen zu tun haben. Dazu zählen die Rohrleitungssysteme von chemischen Werken und der Prozessindustrie sowie von Kraftwerken und Raffinerien. Außerdem ist dieses Modul für Erdölpipelines und Wasserleitungen, Lüftungssysteme sowie Kühlsysteme in Motoren und Turbinen geeignet. Auch stellt dieses Modul eine wichtige Ergänzung der Modellierfunktionen von COMSOL Multiphysics und der reichhaltigen Zusatzprodukte dar. Das Optimieren von komplexen und integrierten Kühlsystemen in Turbinen, Spritzgusswerkzeugen, Gussformen und Wärmetauschern sowie das Planen von Lüftungssystemen in Gebäuden und das Konzipieren geothermischer Heizsysteme sind nur einige der möglichen Anwendungsgebiete.

Alle in dieser Publikation genannten Marken sind das Eigentum der jeweiligen Rechteinhaber. COMSOL AB und seine Tochtergesellschaften und Produkte sind keine angegliederte Gruppe oder Gesellschaft dieser Markeninhaber und werden von diesen auch nicht gesponsort oder unterstützt. Eine Liste der entsprechenden Markeninhaber finden Sie auf der Website http://www.comsol.com/tm.

Convective Flow in a Heat Exchanger Plate

Cooling of an Injection Mold

Geothermal Heating from a Pond Loop

Water Hammer

Probe Tube Microphone

Gas Box Designer

Insulation of a Pipeline Section

Discharging Tank