Il fluido e la giusta tubazioneERT

Grazie alle funzionalità contenute in questo strumento di simulazione contenuto nella suite dei prodotti Comsol, è possibile modellare in modo più efficiente sistemi in cui le analisi fluidodinamiche, termiche e chimiche interessano tubazioni e network di tubazioni

Il Pipe Flow Module è uno dei moduli addizionali del software di simulazione Comsol Multiphysics ed è stato appositamente creato per analizzare e ottimizzare  le prestazioni di tutti i sistemi in cui sono coinvolte tubazioni per il trasporto di fluidi, come impianti industriali, reti di distribuzione idrica o per idrocarburi, sistemi di raffreddamento o riscaldamento.

Questo modulo è indicato per tutte le applicazioni in cui è accettabile l’ipotesi di fluidodinamica monodimensionale, come nel caso di analisi delle perdite di carico, del trasporto di energia e/o di massa, delle reazioni chimiche e delle onde di pressione, che si sviluppano lungo la direzione principale (l’asse della tubazione) mentre nelle sezioni trasversali è sufficiente una stima delle grandezze medie. Tale ipotesi consente di ridurre drasticamente i tempi di impostazione ed esecuzione dei calcoli rispetto alle comuni analisi 2 o 3D, rendendo quindi più agevole soprattutto lo studio di problemi instazionari o di problemi di ottimizzazione.

Grazie all’ambiente unico integrato di Comsol Multiphysics è comunque sempre possibile gestire simultaneamente una o più fisiche monodimensionali accoppiate con fisiche 2D o 3D; per esempio si può analizzare una rete di tubazioni monodimensionali in cui siano presenti anche valvole e serbatoi modellati in 2D/3D (qualora non fossero sufficienti per questi componenti i corrispondenti elementi 1D), oppure inserire in una piastra di raffreddamento 3D una serpentina con fluido refrigerante modellata con linee 1D.

Il metodo di analisi

Le equazioni alla base del Pipe Flow Module consentono di simulare flussi incomprimibili, stazionari o instazionari, con trasferimento termico o di massa e con reazioni chimiche, ma anche fenomeni come il colpo d’ariete, con onde di pressione generate da apertura e chiusura improvvisa di valvole, oppure l’acustica in tubazioni. La semplificazione geometrica che trasforma un oggetto reale in una linea 1D si traduce in una equivalente semplificazione delle equazioni della fluidodinamica in cui, in particolare, il campo di velocità viene rappresentato da una sola componente e – come avviene per la pressione, la densità e la temperatura – si considera come valore mediato nelle sezioni trasversali.

Tutte le informazioni legate alla effettiva sezione delle tubazioni, o comunque necessarie per considerare effetti 2/3D reali, devono quindi essere modellate attraverso l’introduzione di coefficienti o di equazioni di correlazione (da scegliere tra quelle presenti nella libreria di Comsol Multiphysics oppure da inserire secondo le specifiche esigenze dell’utente). Per esempio, per la stima delle perdite di carico lungo la tubazione sono necessari opportuni coefficienti di attrito (alla base del ‘Darcy friction factor’) in modo da prevedere gli effetti legati a fluidi Newtoniani o non Newtoniani, flussi laminari o turbolenti, alle diverse forme della sezione o alla rugosità delle pareti. Analogamente, anche la presenza di curve, variazioni improvvise di sezione, giunzioni, serbatoi, valvole, pompe ecc. possono essere modellate con coefficienti o equazioni che introducano variazioni locali di pressione, così come è possibile semplificare e concentrare anche gli effetti di scambio termico o di reazioni chimiche.

Esempi di applicazioni

Il Pipe Flow Module può essere usato, come già detto, per progettare e ottimizzare un’ampia gamma di sistemi fluidodinamici per applicazioni industriali su piccola e larga scala, quindi con dimensioni che possono variare da micrometriche a chilometriche. Un esempio di utilizzo del Pipe Flow Module è costituito dalle condotte per il trasporto del petrolio, in cui l’analisi termodinamica riveste un’importanza fondamentale per garantire che il petrolio non si surriscaldi per attrito con le pareti. Una corretta valutazione del calore prodotto per attrito consente di definire in modo più adeguato la struttura delle pareti delle tubazioni, la cui realizzazione a strati è finalizzata proprio al controllo del bilancio termico tra il petrolio e l’ambiente esterno. Il Pipe Flow Module risulta essere particolarmente indicato anche per applicazioni legate al riscaldamento geotermico; in questi casi, infatti, vengono impiegati lunghi tubi in polietilene all’interno dei quali circola acqua riscaldata sfruttando le riserve termiche naturali di laghi o stagni.