管道仿真
關注創建者：新藍 創建時間：2015-10-16
管道仿真的視頻教程
管道仿真的實例教程
管道內固體污染物顆粒的沖蝕仿真 ￥500
用于輸送石油和天然氣之類流體的管道通常包含流動流體攜帶的固體污染物顆粒，例 如沙子。這些固體顆粒會撞擊管壁，使表面材料變形或剝離的過程稱為沖蝕。 除了管壁材料的物理損耗之外，固體顆粒的沖蝕可能會以其他更間接的方式損害管道。 例如，固體顆粒可能會損壞管道內的耐腐蝕層，還可能去除內表面的化學緩蝕劑，使 管壁中更易受腐蝕的材料暴露在外。這種協同效應通常由術語沖蝕 表示，它們可能導 致石油和天然氣管道加速退化，因此為此付出的代價極高。 管道沖蝕仿真對于設計、優化和診斷來說是強大且具成本效益的工具。本例計算帶有U型管道的沖蝕磨損率，沖蝕模型采用Finne模型，模擬結果展示如下：
感興趣的朋友，可下載模型源文件，進行交流。
展開 1.背景及意義
盤為代表的管道連接結構常常是整個系統中最容易發生失效的位置，因此，對管道接頭的接觸分析就顯得尤為必要，由于仿真能夠觀測處更準確的應力應變情況且時間及經濟成本低，故本案例以法蘭盤為例，對法蘭盤管道接頭進行仿真分析。
2.問題描述
圖1給出了法蘭盤的基本幾何尺寸及法蘭盤接頭的物理模型，其中圖1（A）為幾何尺寸，圖1（B）為物理模型。應當注意的是，考慮到連接處的局部效應，草圖中保留了長0.1mm的管道（圖中紅色標志區域），也正因為如此，此法蘭盤接頭并非對稱結果，但在仿真中，為節約分析時間對模型進行簡化分析，采用軸對稱單元進行分析，仿真分析全程采用統一的mm建模單位。
圖1幾何模型（A）幾何尺寸（B）物理模型
3.有限元分析
模型采用外部導入方式打開，正式在Abaqus中分析的步驟如下圖2所示。主要包括：查看法蘭盤接頭部件，檢查部件模型信息是否丟失、查看部件屬性（包括材料參數定義，截面塑性定義、單元定義）、查看裝配、檢查分析步設置、定義接觸（采用自動面面接觸）、定義約束（模型兩端施加250KN）、最后定義初始邊界條件（主要是溫度場實現4次25攝氏度→350攝氏度的升溫和350攝氏度→25攝氏度的降溫）、之后對模型進行等向硬化分析，需要導入材料的實際塑性數據，應當注意：由于拉伸計的限制，一般拉伸樣條測試得到的工程應力-工程應變曲線，需要轉化為真實應力-應變曲線關系才能用于有限元分析材料的定義。真實的應力應變數據見附件，這里不再單獨說明。最后對導入的硬化數據表進行擬合，刪除塑性數據中的最后一行重復數據即可提交求解。最后通過可視化后處理模塊Visualization進行等效塑性應變及應力云圖的分析查看·。得到的云圖結果如圖3所示。可以發現，法蘭盤接頭的四周應變值較大，而中間靠近圓心的倒角處反而處于較低的應力應變范圍。
展開 image_process=/format,webp/quality,q_40/resize,w_760" data-initial-src="https://img.jishulink.com/202408/attachment/bcaff0d0cca54a10a6b2d7c5b62ae5ea.png">
</figure>
</div><p><br></p><p><strong>三、三維管道流動仿真APP開發</strong></p><p><br></p><p>作為仿真PaaS平臺，伏圖內置的APP開發器支持用戶以無代碼化的方式便捷封裝參數化仿真模型及仿真流程，將仿真知識、專家經驗轉化為可復用的仿真APP。封裝好的仿真APP可通過工業仿真APP商店Simapps，實現云端部署與在線應用，為用戶提供在線仿真工具。</p><p><br></p><p>在這里我們以一個簡單但具有廣泛代表性的流體問題——冷熱流體在管道內湍流混合過程為例，來展示流體力學APP的開發: <a href="https://www.simapps.com/v/222846.html" rel="noopener noreferrer" target="_blank" style="color: rgb(0, 136, 204); background-color: transparent;">三通管湍流內流場冷熱流混合效果分析 – Simapps Store – 工業仿真APP商店</a></p><p><br></p><p>冷熱流體在三通管內的湍流混合是一類具有代表性的典型問題，對于工業系統的效率、安全性和經濟性具有重要的實際意義。該分析能夠幫助工程師提高混合的均勻性和效率，從而減少能源浪費和因熱波動誘發的熱應力、熱疲勞，降低部件失效風險，可作為管道優化的基礎。
展開 圖2 管道復雜應力磁導率曲線
2 輸油氣管道磁力學模型仿真分析
本文采用MATLAB的COMSOL Multiphysics工具箱進行建模，通過內部嵌入的CAD建模工具直接在軟件中建立輸油氣管道模型，設置管道外壁直徑為508 mm、管壁厚度為10 mm、拉伸管道長度為600mm的三維空間管道模型，如圖3所示。管道模型建立完成之后進入物理場模式，添加仿真模擬所需要的電磁場和力學接口，對輸油氣管道進行靜態和低頻系統中磁場的計算，將物理場設置為管道瞬態問題的研究。先用四邊形單元格類型對管道模型的邊界面進行剖分，沿著選取面的路徑對其進行掃掠直至完成整個管道壁的剖分，對建立的管道模型設置條件約束后進行網格劃分。按照如上步驟完成輸油氣管道磁力學實驗的模型建立，對輸油氣管道添加不同大小的內壓荷載，通過有限元仿真模擬軟件中自帶的計算求解過程和后處理功能，計算得出不同環境下輸油氣管道壁上磁信號的分布情況，對實驗結果進行分析，得出輸油氣管道磁通量信號隨復雜應力的變化規律。
圖3 管道模型建立
2.1 內壓作用下的復雜應力
將輸油氣管道在介質內壓荷載作用下各個方向上的復雜應力進行分解，根據管道應力分析理論，當管道受內壓荷載作用時，在輸油氣管道環向產生的應力為：
式中：σn為輸油氣管道環向產生的應力，MPa;P為管道受內壓荷載，MPa;D為輸油氣管道外徑，mm;t為管道壁厚，mm。
對輸油氣管道軸向應力進行研究，其大小為環向應力的一半，與內壓的關系為：
輸油氣管道壁所承受的內壓荷載對應的復雜應力值見表1。
展開 本案例對埋地摻氫天然氣管道在土壤多孔介質影響下的氣體泄漏擴散規律展開了仿真計算。主要涉及到多孔介質，組分傳輸，局部初始化三個部分。計算模型依據相關文獻進行設置，對摻氫20%的天然氣泄漏擴散情況展開分析，通過對該案例的學習與掌握，后續可以對制定管道泄露應急決策方案進行相關指導。
1 workbench 設置
本案例的計算模塊如下圖所示：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
依據相關文獻，對幾何模型進行建立，其中管道為wall，y軸上方壁面為壓力出口，其他面位symmetry，管道泄露孔為φ=10mm的壓力入口，具體幾何尺寸如下：
2.2 網格設置
采用Fluent meshing進行網格劃分，對泄漏孔附近網格進行加密，具體的網格劃分如下圖所示：
3 FLUENT 設置
3.1 General設置與網格導入
首先導入網格，因為是研究擴散規律，因此需要開始瞬態，具體設置如下圖所示。
展開 
管道仿真的相關專題、標簽、搜索
管道仿真的最新內容
spm_id_from=333.1387.search.video_card.click&vd_source=de559d3120cf466926dc077f7b35fef6" rel="noopener noreferrer" target="_blank">基于RecurDyn的管道機器人仿真</a></p><p><br></p><p><br></p>
4.4 云圖結果
此處對流場進行可視化處理，相關的繪制設置如下圖所示：
Subgrid Turbulent Viscosity
速度云圖計算結果
30 Fluent實用案例 | DEM顆粒瞬態仿真
本案例利用Fluent中的DEM模型，對管道運輸進行流體仿真
三、技能回報：從“會操作”到“能落地+可遷移”，單次項目成本直降83%
普通課程的培訓效果僅停留在“會點軟件按鈕”，工程師換個項目就卡頓——學完“標準管道熱仿真”，遇到異形電池包散熱問題仍無從下手，最終企業仍需依賴外部外包，單次熱仿真項目外包費用高達2-3萬元，年外包成本超50萬元。
專屬顧問了解你的 “管道沖擊仿真” 需求，講師快速分析你的模型，指出 “網格質量差是主要問題”；
2) 第 2-3 天：針對性教學。直接教你 “如何優化管道模型網格”“設置流體沖擊載荷”，邊教邊幫你調整模型，當天就看到正確的仿真結果；
3) 第 1 周：獨立完成項目。拿著講師給的 “操作視頻 + 源模型”，1 周內就能獨立完成自己的管道沖擊仿真，還能應對類似問題。
技術鄰針對性解決方案
1) 聚焦工程實際，教 “能用的方法”：不教脫離實際的通用案例，直接以你的項目模型（如 “汽車發動機蓋聲固耦合”“化工管道水錘效應仿真”）為教學核心，講解工程中常用的技術方案（如用 “CEL 方法” 解決高速流體沖擊，用 “MpCCI 協同仿真” 解決大型風場問題）；
2) 結果對標實驗，確保客戶認可：講師會先幫你完成 CAE 分析，若結果與實驗有差距（如誤差 15%）
3.5 邊界條件設置
需要對壓力入口進行設置，壓力入口為0.4MPa，具體設置如下圖：
對壓力入口的組分構成進行設置，勾選摩爾分數指定組分，ch4為0.8，h2為0.2，具體設置如下圖：
3.6 初始化設置
首先進行標準初始化設置，具體設置如下圖：
3.7 計算設置
此處進行的計算設置如下：
4 后處理結果
4.1 后處理結果
對管道泄露擴散仿真的計算結果進行可視化處理
本文針對工業界廣泛應用的兩款多相流數值計算（CMFD）軟件 —— 國外商軟與積鼎科技的 VirtualFlow，在狹小管道兩相流仿真預報方面展開全面對比。兩款軟件核心差異在于采用不同的常用兩相流模擬方法：國外商軟采用 VOF 方法，VirtualFlow 則采用 Level Set 方法。對比發現，兩款軟件預報的流動拓撲結構存在顯著不同。
本案例利用Fluent中的DEM模型，對管道運輸進行流體仿真，主要是對管路顆粒運輸過程進行診斷，防止出現顆粒陷入死循環，導入管路阻塞和浪費。因此進行相關的管路氣力運輸可以按照本文的相關設置進行仿真計算。
1 workbench 設置
本案例具體設置如下圖 ：
2 SCDM 設置
2.1 導入幾何
本案例的管道模型十分簡單，為幾段簡易管路組成 。
水錘現象多發生在管道系統中，水錘發生時管系內會產生瞬間的壓力脈動，對管道造成沖擊，甚至破壞。水錘發生時常伴有錘子敲打管道一樣的聲音，因此被稱為“水錘”效應。根據水錘引發機制的不同，可分為以下兩類：
1、單相流動流體驟停引起的水錘
單相流動流體驟停引起的水錘（sudden liquid deceleration）一般由管道中閥門突然關閉，導致本來流動的液體驟停，由于液體的慣性作用，閥門將受到一個瞬間的壓力沖擊
wx_fmt=png&from=appmsg"></p><p><br></p><p><strong>4 后處理結果</strong></p><p><strong>4.1 后處理結果</strong></p><p>對管道泄露擴散仿真的計算結果進行可視化處理，土壤中的CH4濃度結果云圖如下圖所示：</p><p><img src="https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_png/6OCfD1OjTxpXGRhdSbGgRj7IyicwxCoUy2b7UXNZic5SRdFBQEWq1S12ycfZWTLVCIeAsmrrVx2qedbIXRmBuWpw
