Modélisez des réseaux de conduites avec le module Pipe Flow

Un réseau de pipelines sur lequel la distribution de température est affichée dans la palette de couleurs Prisme.

Modélisation performante des écoulements en conduites

Les conduites sont des objets ayant des rapports d'aspect élevés. L'utilisation de lignes et de courbes plutôt que d'éléments volumiques vous permet de modéliser des systèmes de conduites sans avoir à résoudre l'écoulement complet. Le logiciel résout les variables moyennées sur la section, le long des lignes et des courbes, au sein de votre modélisation globale de procédés faisant intervenir des réseaux de conduites, tout en vous permettant de prendre en compte une description complète des variables des procédés dans ces réseaux.

Le module Pipe Flow fournit des fonctionnalités dédiées à l'étude de la conservation de la quantité de mouvement, de l'énergie et de la masse pour les fluides dans des conduites ou des canaux. Les pertes de charge le long des conduites sont décrites à l'aide de facteurs de frottement et de la rugosité de surface. A partir de cette description vous pouvez calculer le débit, la pression et la concentration dans les conduites.

Construisez des modèles physiques ou multiphysiques

Modéliser plusieurs phénomènes physiques dans COMSOL Multiphysics^® est tout à fait similaire à la résolution d'un problème ne faisant intervenir qu'un unique phénomène physique.

Une vue rapprochée d'un système de conduties montrant les pertes de charge.

Réservoirs de décharge

Calculez les pertes de charge et le débit initial à la sortie d'un réservoir.

Une vue rapprochée d'un modèle de collecteur de chaleur montrant la température.

Systèmes géothermiques

Modélisez les systèmes géothermiques et leurs interactions avec le milieu environnant.

Une vue rapprochée d'un modèle d'échangeur de chaleur montrant la distribution de pression.

Echangeurs de chaleur

Modélisez l'écoulement et le transfert thermique des échangeurs de chaleur.

Une vue rapprochée d'un système de conduites montrant la vitesse acoustique.

Equations des coups de bélier

Analysez la propagation de phénomènes hydrauliques transitoires.

Une vue rapprochée d'un modèle de microphone à tube montrant la réponse de pression.

Microphones à sonde

Etudiez la sensibilité des microphones avec des couplages 1D et 3D.¹

Une vue rapprochée du modèle de volant montrant la température.

Systèmes de refroidissement

Modélisez le refroidissement de pièces moulées par injection.

Une vue rapprochée d'un modèle de réseau de conduites avec deux générateurs de chaleur.

Réseaux de conduites

Optimisez la disposition des réseaux de conduites pour en maximiser l'efficacité.²

Isolation

Simulez le transport de pétrole dans les pipelines.

Une vue rapprochée d'un modèle d'échangeur de chaleur montrant la pression et la vitesse.

Ecoulements laminaires et turbulents

Combinez des écoulements en conduites et des écoulements 3D en régime laminaire et turbulent.³

Une vue rapprochée d'un modèle géothermique d'une boucle fermée immergée dans un étang montrant la température.

Ecoulements nonisothermes

Résolvez l'écoulement, la pression et la température simultanément.

Nécessite le module Acoustics
Nécessite le module Optimization
Nécessite le module CFD ou le module Heat Transfer

Caractéristiques et fonctionnalités du module Pipe Flow

Le module Pipe Flow est complémentaire des autres modules additionnels relatifs aux écoulements fluides.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Ecoulement en conduite et un modèle de transport de boues dans la fenêtre graphique.

Pipe Flow

Le module Pipe Flow contient des interfaces physiques prédéfinies pour la résolution de la conservation de la quantité de mouvement, d'énergie et de masse pour un fluide dans un canal ou dans un réseau de conduites. L'interface Ecoulement en conduite est utilisée pour calculer les champs de vitesse et de pression dans des conduites et des canaux de différentes formes. Elle approxime l'écoulement dans la conduite par une approche 1D dans des lignes ou des courbes. Ces lignes peuvent être dessinées en 2D ou 3D et représenter des simplificiations de tubes.

Pour les utilisateurs du module CFD et du module Heat Transfer, un couplage multiphysique Connexion sur conduites est disponible pour les cas où les systèmes de conduites débouchent dans un volume de fluide plus important. Cette fonctionnalité couple un segment 1D (modélisé avec l'interface Ecoulement en conduite) avec un écoulement 3D monophasique de façon à assurer la continuité du flux massique et de la pression, quelle que soit la direction.

Transfert de chaleur

L'interface Transfert de chaleur en conduites est utilisée pour modéliser le transfert de chaleur par conduction et convection dans des conduites et canaux de différentes formes, dans lesquels la vitesse du fluide et la pression sont connues a priori. L'interface utilise un bilan d'énergie 1D pour déterminer le profil de température dans les courbes ou les lignes. Ces lignes peuvent être dessinées en 2D ou 3D et représenter des simplifications de tubes. Des fonctionnalités optionnelles permettent de modéliser le transfert thermique aux parois, comme les parois multicouches et les revêtements. L'interface Ecoulement non-isotherme en conduites étend cette interface physique en fournissant des équations pour résoudre les champs de pression et de vitesse quand ils sont inconnus. Des descriptions plus approfondies du transfert de chaleur se trouvent dans le module Heat Transfer, comme les modèles d'écoulement turbulent 3D ou des problèmes impliquant du rayonnement de surface à surface.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Interaction fluide-conduite et un modèle de réseau de conduites dans la fenêtre graphique.

Analyse mécanique de conduites

L'interface Mécanique de conduite est utilisée pour calculer les contraintes et déformations dans des conduites soumises à des chargements de type pression interne, efforts aux jonctions, et forces de traînée axiale. Le couplage multiphysique Interaction fluide-conduite, géométrie fixe permet de modéliser des chargements induits par l'écoulement dans les conduites, comme des efforts liés à la pression et aux forces de traînée, mais aussi à la force centrifuge dans des conduites courbes et les chargements fluides aux coudes et jonctions. Avec le module Structural Mechanics, un couplage multiphysique Connexion solide-conduite permet de coupler les interfaces Mécanique des Structures avec l'interface Mécanique de conduite.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Coup de bélier en surbrillance, la fenêtre de réglages correspondante, et un système de conduites dans la fenêtre graphique.

Analyse de coup de bélier

La fermeture brutale d'une vanne entraîne souvent un phénomène hydraulique transitoire appelé coup de bélier. La propagation des ondes de pressions liées à ce phénomène transitoire peuvent, dans les cas extrêmes, causer des surpressions entraînant des ruptures dans les réseaux de conduites. L'interface Coup de bélier du module Pipe Flow peut être utilisée pour modéliser l'écoulement compressible généré par ces phénomènes transitoires hydrauliques rapides en prenant en compte les propriétés élastiques du fluide et de la paroi.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Transport d'espèces diluées en conduite en surbrillance et un modèle de conduite dans la fenêtre graphique.

Transport d'espèces chimiques

Grâce à ses capacités de modélisation du transport de composants chimiques dilués dans des fluides circulant dans des conduites, le module Pipe Flow permet de modéliser des réactions chimiques complexes. Cela inclut des calculs de transfert de masse, de cinétiques chimiques, de transfert de chaleur et de pertes de charge dans le même modèle.

L'interface Transport d'espèces diluées en conduite résout une équation de bilan de masse dans les conduites afin de calculer la distribution de la concentration d'un soluté dans une solution diluée, en prenant en compte la diffusion, la dispersion, la convection ainsi que les réactions chimiques.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Propriétés de la conduite et un modèle d'échangeur de chaleur dans la fenêtre graphique.

Modèles de frottement

L'écoulement, la pression, la température et les champs de concentration à travers la section de la conduite sont modélisées sous forme de quantités moyennées, variant uniquement dans la longueur des conduites et des canaux. Pour les écoulements monophasiques, les pertes de charge le long de la conduite ou au sein de composants de conduites sont décrites à l'aide d'expressions pour le facteur de frottement.

Les modèles de frottement disponibles pour les fluides newtoniens incluent les modèles de Churchill, Wood, Haaland, Von Karman, et Swamee-Jain. Lorsque vous utilisez l'un de ces modèles de frottement, vous pouvez sélectionner les données de rugosité de surface à partir d'une liste prédéfinie.

Pour les fluides non-newtoniens circulant dans des conduites de section circulaire, les modèles de frottement de Irvine et Stokes sont disponibles pour les fluides décrits par une Loi de puissance, Darby est disponible pour les fluides de Bingham, et Swamee-Aggarwal pour les fluides de Herschel-Bulkley. Pour les fluides non-newtoniens circulant dans des conduites de section non circulaire, une valeur ou une expression peut être entrée manuellement pour le Facteur de friction de Darcy.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Jonction en T et deux fenêtres graphiques montrant un modèle de réseau de pipelines.

Jonctions, Entrées, Vannes, Coudes, et Pompes

Pour prendre en compte les corrélations liées à des changements de pression soudains au niveau d'éléments communs dans les réseaux de conduites, le module Pipe Flow inclut des fonctionnalités introduisant des pertes de charge additionnelles dues aux frottements turbulents irréversibles en un point associé à un coude, une vanne, une pompe, une contraction ou expansion dans le système de conduites. Une fonctionnalité d'Entrée est disponible pour fixer la condition d'entrée de l'écoulement en vitesse, en débit volumétrique ou en débit massique.

Outre les pertes de charges régulières liées aux frottements dans des tronçons de conduites, des pertes de charge singulières, résultant de changements brusques de direction ou de séparations, peuvent être calculées à partir d'une bibliothèque de coefficients de pertes de charge standards pour des éléments industriels. Les pertes de charge dans les jonctions de conduites sont caractérisées par un certain nombre de variables, et les géométries peuvent varier en fonction de l'angle, des sections, et du nombre de branches. Le module Pipe Flow propose une variété de types de jonctions agissant comme raccord de réunion ou de séparation de branches, comme par exemple la Jonction en T, Jonction en Y, et la Jonction n-way, pour définir des pertes additionnelles dues aux frottements.

Une vue rapprochée des réglages du noeud Ecoulement en conduite et un modèle de système de pipeline dans la fenêtre graphique.

Fluides non-newtoniens et écoulements multiphasiques

Pour modéliser un écoulement monophasique, le fluide peut être caractérisé en fonction de sa réponse aux contraintes de cisaillement. Les fluides newtoniens présentent une relation linéaire entre contrainte et taux de cisaillement. Dans le cas des fluides non-newtoniens, la relation entre contrainte et taux de cisaillement peut être non linéaire. Le modèle de fluide à seuil de Bingham est disponible et permet de décrire des fluides viscoélastiques ayant un seuil d'écoulement. Pour les fluides rhéofluidifiants et les fluides rhéoépaississants, le modèle de Loi de puissance est disponible. Le modèle de Herschel-Bulkley permet de décrire le comportement rhéologique de fluides non-newtoniens et de simuler l'écoulement de fluides ayant un comportement viscoplastique. Grâce aux modèles de fluides non-newtoniens vous pouvez modéliser des phénomènes faisant par exemple intervenir des suspensions minérales dans l'eau.

Le modèle de fluide newtonien propose deux options pour simuler des phases gaz-liquide: Gaz-liquide, multiplicateur du facteur de friction, qui modifie le facteur de frottement de Darcy monophasique; et Gaz-liquide, nombre de Reynolds effectif, qui utilise une viscosité effective, ajustée pour le calcul du nombre de Reynolds dans la résolution des pertes de charge. Les écoulements diphasiques gaz-liquide sont des phénomènes courants dans les industries nucléaires et pétrolières, ou en réfrigération, où des mélanges gazeux sont transportés dans des réseaux de conduites.

Une vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Connexion acoustique-acoustique en conduite en surbrillance et un système de conduites dans la fenêtre graphique.

Propagation d'ondes acoustiques

La propagation des ondes acoustiques le long de conduites flexibles est un facteur contributif dans la conception, la planification et la construction de ces réseaux. Les interfaces Acoustique en conduite peuvent être utilisées pour la modélisation 1D de la propagation des ondes sonores dans les réseaux de conduites.

Avec le module Acoustics, vous pouvez réaliser des analyses acoustiques couplées 3D-1D en domaine fréquentiel et en régime transitoire. Pour calculer la propagation des ondes acoustiques dans les fluides dans des conditions de fluide au repos, l'interface Acoustique en conduite, domaine fréquentiel est disponible pour les analyses harmoniques et l'interface Acoustique en conduite, transitoire est disponible pour les simulations transitoires.

Le module Acoustics fournit également un couplage multiphysique Connexion acoustique-acoustique en conduite pour combiner les interfaces Pression acoustique aux interfaces Acoustique en conduite dans les simulations en domaine fréquentiel ou en régime transitoire. Le couplage est défini entre un point de l'interface d'acoustique en conduite et une frontière de l'interface de pression acoustique.

Module Pipe Flow

Modélisation performante des écoulements en conduites