パイプ流れモジュール

パイプシステムの設計と解析

COMSOL Multiphysics® のアドオン製品であるパイプ流れモジュールは, 流体の流れ, 熱および質量の移動, 音響, ならびにパイプの力学的挙動のシミュレーションに使用されます. COMSOL Multiphysics® では, パイプは1D セグメントとして表現され, 3D パイプを通る流れをメッシングして計算する場合と比較して, 計算資源を大幅に削減することができます. このアプローチにより, 建物の換気システム, 石油産業のパイプライン, 地熱アプリケーションのパイプネットワーク, 配水システムなど, 複雑な配管アプリケーションを設計および最適化することができます.

パイプ内の効果をモデリングするだけでなく, 1D のセグメントをより大きな3D ボリュームに埋め込んで, パイプの周囲に及ぼす影響をモデリングすることも可能です. 例えば, エンジンブロックや射出成形金型の冷却パイプや, 地熱利用における加熱パイプをモデリングすることができます. パイプ流れモジュールは, COMSOL 製品群の他のモジュールと組み合わせることにより, 層流および乱流, 固体およびシェルの力学, 圧力音響などのモデリングを行うマルチフィジックス機能をさらに拡張することが可能です.

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ヒートカメラのカラーテーブルに温度を表示する3D ステアリングホイールモデル.

効率的な配管流れのモデリング

パイプは高いアスペクト比を持つ物体であるため, 体積要素ではなく線と曲線を使用することで, 完全な流れ場を求解する必要なく配管システムをモデル化することができます. 本ソフトウェアは, 配管ネットワークで構成されるプロセスの全体的なモデリングにおいて, 線と曲線に沿って断面平均化された変数を解き, 同時にこれらのネットワーク内のプロセス変数を完全に記述することを考慮することが可能です.

パイプ流れモジュールは, 配管または流路内の流体の運動量, エネルギー, および質量の保存を定義するための特別な機能を提供します. パイプの長さに沿った圧力損失は, 摩擦係数と相対的な表面粗さの値を使用して記述されます. この記述に基づいて, パイプ内の流量, 圧力, 温度, および濃度をモデル化することができます.

シングルフィジックスおよびマルチフィジックスモデルの構築

COMSOL Multiphysics® で複数の物理現象をモデリングすることは, シングルフィジックス問題を解くことと何ら変わりはありません.

圧力降下を示す配管システムの拡大図.

タンクの吐出

タンク内の圧力損失と初期流量を計算.

温度を示す集熱器モデルの拡大図.

地熱システム

地熱システムおよびその周辺環境との相互作用のモデル化.

圧力分布を示す熱交換器モデルの拡大図.

熱交換器

熱交換器の流れや熱伝達をモデル化.

音速を示す配管システムの拡大図.

水撃の方程式

水力過渡現象の伝搬を解析.

圧力応答を示すプローブ菅マイクロフォンモデルの拡大図.

プローブ管マイクロホン

1D および3D カップリングによるマイクロホン感度の検討.1

温度を示すステアリングホイールモデルの拡大図.

冷却システム

射出成形部品の冷却をモデル化.

2つの熱生成器を備えたパイプネットワークモデルの拡大図.

パイプラインネットワーク

パイプラインのレイアウトを最適化することで, 効率を最大化します.2

パイプラインの断熱材を示す1D プロット.

断熱材

パイプラインでの石油輸送をシミュレートします.

圧力と速度を示す熱交換器モデルの拡大図.

層流と乱流

層流と乱流の両方について, 配管流れ領域を3D 流体領域と結合します.3

温度を示す池のループモデルの拡大図.

非等温流

流れ, 圧力, 温度を同時に解きます.

  1. 音響モジュールが必要
  2. 最適化モジュールが必要
  3. CFDモジュールまたは伝熱モジュールが必要

パイプ流れモジュールの特長と機能

パイプ流れモジュールは, 流体流れ機能を持つ他のアドオンモジュールを補完するものです.

グラフィックスウィンドウのパイプ流れ設定とスラリー輸送モデルのクローズアップビュー.

パイプ流れ

パイプ流れモジュールには, パイプや流路系内の流体の運動量, エネルギー, および質量の保存を定義するフィジックスインターフェースが組み込まれています. パイプ流れインターフェースは, 様々な形状のパイプや流路内の速度場と圧力場を計算するために使用されます. パイプのフロープロファイルを, 曲線セグメントまたはラインにおける1次元の仮定によって近似します. これらの線は2D または3D で描くことができ, 中空管の簡略化を表現しています.

CFD モジュール伝熱モジュールのユーザーは, 配管システムがより大きな流体体積に開放されている場合のために, 配管接続マルチフィジックスカップリングを利用することができます. この機能は, 1次元のパイプセグメント (パイプ流れインターフェースでモデル化) と3次元の単相流れボディをカップリングし, 方向に関係なく質量流束と圧力の連続性を提供します.

壁伝熱ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウに地熱システムが表示されたモデルビルダーのクローズアップビュー.

熱伝導

伝熱 (パイプ) インターフェースは, 流体の速度と圧力が事前に分かっている, さまざまな形状のパイプや流路における伝導と対流による熱伝達をモデル化するために使用されます. このインターフェースは, 1次元のエネルギーバランスを用いて, 曲線セグメントまたはラインにおける温度プロファイルを決定します. これらの線は2D または3D で描くことができ, 中空管の簡略化を表現しています. 多層壁やクラッディングを含む壁面熱伝達をモデリングする機能は, オプションとして含まれています. 非等温流 (パイプ) インターフェースは, 速度場と圧力場が未知の場合にそれらを計算する方程式を提供することで, このフィジックスインターフェースを拡張します. 3D 乱流モデルや表面から表面への輻射を含む問題など, 熱伝達に関するより広範な記述は, 伝熱モジュールで見ることができます.

グラフィックスウィンドウの流体-パイプ相互作用設定とパイプネットワークモデルのクローズアップビュー.

パイプの力学解析

パイプメカニクスインターフェースは, 内圧, 接合力, 軸方向抗力など, 任意の断面を持つパイプ内の応力や変形を計算するために使用します. 流体-パイプ相互作用, 固定形状マルチフィジックスカップリングは, 圧力や抗力, 曲がったパイプの遠心力, ベンドやジャンクションでの流体負荷など, パイプの流れによる負荷をモデル化するために使用できます. アドオンの構造力学モジュールでは, 構造-パイプ接続マルチフィジックスノードが利用でき, 構造力学インターフェースとパイプ力学インターフェースを結合することができます.

ウォーターハンマーノードが強調表示されたモデルビルダーのクローズアップビュー, 対応する設定ウィンドウ, およびグラフィックスウィンドウのパイプシステム.

ウォーターハンマー解析

配管ネットワークにおいてバルブが急速に閉じられると, ウォーターハンマーと呼ばれる水力過渡現象が発生します. このような水理学的過渡現象が伝播すると, 極端な場合, 配管システムの故障につながる過圧を引き起こす可能性があります. パイプ流れモジュールのウォーターハンマーインターフェースは, 流体と高壁の両方の弾性特性を考慮することで, 急激な水力過渡現象によってもたらされる圧縮性流れのモデリングに使用することができます.

パイプ内の希釈された種の輸送ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウにパイプモデルが表示されたモデルビルダーのクローズアップビュー.

化学種輸送

細いパイプを流れる流体で希釈された化学物質の移動をモデル化する機能を持つパイプ流れモジュールは, 複雑な化学反応のモデル化を可能にします. これには, 物質移動, 化学反応速度論, 熱伝導, 圧力損失の計算を同じモデルで行うことができます.

パイプ内の希薄種の輸送インターフェースは, 拡散, 分散, 対流, 化学反応を考慮し, 希薄溶液中の溶質の濃度分布を計算するために, パイプの質量バランス方程式を解きます.

グラフィックスウィンドウのパイププロパティ設定と熱交換器モデルのクローズアップビュー.

摩擦モデル

配管断面における流れ, 圧力, 温度, 濃度場は, 配管や流路の長さに沿ってのみ変化する断面平均量としてモデル化されます. 単相流の場合, 配管の長さや配管内の圧力損失は, 摩擦係数の式を用いて記述されます.

ニュートン流体で利用可能な摩擦モデルには, Churchill, Wood, Haaland, Von Karman, と Swamee-Jain があります. これらの摩擦モデルを選択した場合, 表面粗さデータは事前に定義されたリストから選択することができます.

円形断面管内の非ニュートン流体では, べき乗則流体では Irvine および Stokes 摩擦モデル, Bingham 流体では Darby, Herschel-Bulkley 流体では Swamee-Aggarwal が利用可能です. 非円形断面の管内の非ニュートン流体の場合, ダルシー摩擦係数の値または式を入力することができます.

パイプラインネットワークモデルを示す T ジャンクション設定と2つのグラフィックスウィンドウの拡大図.

ジャンクション, 流入, バルブ, 曲げ, ポンプ

配管網の一般的な要素に対する急激な圧力変化の相関を考慮するために, パイプ流れモジュールには, 配管システムの曲げ, バルブ, ポンプ, または収縮や膨張に関連するポイントに不可逆な乱流摩擦による追加の圧力損失を導入する機能があります. 流入機能は, 流体の流れを記述する速度, 体積流量, または質量流量の流入条件を設定するために利用できます.

配管の伸縮に伴う連続的な摩擦による圧力損失に加えて, 構成部品の運動量変化による圧力損失が, 業界標準の損失係数の広範なライブラリによって計算されます. パイプジャンクションの摩擦損失は, 多くの変数によって特徴付けられ, 角度, 断面, 分岐数によって形状が異なる場合があります. パイプ流れモジュールは, T 字型ジャンクション, Y 字型ジャンクション, N 字型ジャンクションなど, 分岐または合流として機能するさまざまなジャンクションタイプを提供し, 不可逆乱流摩擦による追加損失を特定します.

グラフィックスウィンドウのパイプ流れ設定とパイプラインシステムモデルのクローズアップビュー.

非ニュートン流体と混相流

単相流のモデリングでは, 流体はその応答とせん断応力の作用によって特徴付けることができます. ニュートン流体は, せん断速度とせん断応力の間に線形関係があります. 非ニュートン流体の場合, せん断速度とせん断応力の関係は非線形になることがあります. 降伏応力を持つ粘塑性流体については, Bingham 塑性流体モデルを利用することができます. せん断減粘性流体およびせん断増粘性流体には, べき乗則流体モデルがあります. 非ニュートン流体のレオロジー挙動を記述し, 粘塑性挙動を示す流体の流れをシミュレートするために, Herschel-Bulkley流体モデルが使用されます. 非ニュートン流体モデルを用いると, 水や鉱物懸濁液などの現象をモデル化することができます.

単相のニュートン流体のダルシー摩擦係数を変更する気体-液体, 摩擦係数倍率と, 圧力損失の計算でレイノルズ数を算出するために有効調整粘度を使用する気体-液体, 有効レイノルズ数の2つの気液オプションも用意されています. 気液二相流は, 混合ガスが配管系で輸送される原子力, 石油, ガス, 冷凍業界ではよく見られる現象です.

音響-配管音響接続ノードが強調表示され, グラフィックスウィンドウにパイプシステムが表示されたモデルビルダーのクローズアップビュー.

音響波の伝搬

フレキシブルパイプに沿った音波の伝播は, これらのネットワークの設計, 計画, および構築に寄与する要素です. パイプ音響インターフェースは, パイプ系内の音波の伝播の1次元モデリングに使用できます.

音響モジュールアドオンでは, 周波数領域と時間領域の両方で, 3D から1D の音響解析を行うことができます. 静止したバックグラウンド状態での流体中の音響波の伝搬を計算するために, 時間調和解析では圧力音響, 周波数領域インターフェースが, 過渡シミュレーションでは圧力音響, 過渡インターフェースが利用可能です.

また, 音響モジュールには, 圧力音響インターフェースと配管音響インターフェースを周波数領域と時間領域の両方のシミュレーションで結合する音響-配管音響接続マルチフィジックスカップリングが用意されています. カップリングは, パイプ音響インターフェースの点と圧力音響インターフェースの境界の間で定義されます.

どのビジネスもシミュレーションニーズもそれぞれ違います. COMSOL Multiphysics® ソフトウェアがお客様のご要望を満たすかどうかをきちんと評価するために, 我々にご連絡ください. 我々のセールス担当と話をすれば各個人に向いたお勧めや, しっかり文書化されたモデルなどをお送りすることができ, 最大限の評価結果を引き出すことができます. 最終的にどのライセンスオプションがあなたの要望にとって最適かを選択することができます.

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