 |
استرس در شبکه خط لوله خنک کننده
معرفی
این مثال نحوه مدل‌سازی جریان جفت شده، انتقال حرارت و تغییر شکل ساختاری در یک شبکه لوله را نشان می‌دهد. بارهای ثقلی از لوله و سیال نیز در نظر گرفته می شود.
تعریف مدل
سیستم خنک کننده شامل یک شبکه خط لوله است که بر روی کف پخش شده است همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است . سیال خنک کننده آب است و جریان توسط پمپی که در جریان زمین قرار دارد هدایت می شود. گرما به بخش مارپیچی داخلی خط لوله می رسد، در حالی که بخشی از خط لوله که در طبقه بالایی قرار دارد توسط همرفت طبیعی در هوای اطراف خنک می شود. تمام لوله های دیگر عایق حرارتی هستند.
شکل 1: هندسه.
خط لوله را به صورت سه بعدی به عنوان سیستمی از لبه های متصل با استفاده از رابط های فیزیک اختصاصی برای محاسبه جریان لوله، تغییر شکل لوله و انتقال حرارت مدل کنید. رابط ها بر این فرض استوارند که نسبت قطر به طول به اندازه کافی کوچک است تا هر بخش لوله جداگانه را به عنوان یک شی 1 بعدی نشان دهد. هندسه ساده شده در شکل 2 نشان داده شده است . پمپ با یک بخش لوله مستقیم جایگزین می شود که موقعیت های ورودی و خروجی پمپ را به هم متصل می کند و باعث بسته شدن سیستم لوله می شود. افزایش فشار در نقطه ای که نشان دهنده خروجی لوله است مشخص می شود و فشار به مقدار مرجع 1 atm در نقطه نشان دهنده ورودی لوله تنظیم می شود.
شکل 2: هندسه مدل ساده شده. رنگ های آبی و قرمز نشان دهنده قسمت هایی از خط لوله با قطر داخلی لوله به ترتیب 10 سانتی متر و 20 سانتی متر است. موقعیت پمپ و جهت جریان با رنگ سبز مشخص شده است. فشار مرجع 1 atm در نقطه ای که با رنگ زرد مشخص شده است، تجویز می شود.
یک منبع حرارتی 300 وات بر متر در قسمت مارپیچی خط لوله اعمال می شود، در حالی که قسمت بالایی آن توسط همرفت طبیعی در هوای اطراف خنک می شود که دمای محیط 20 درجه سانتی گراد است.
لوله ها از فولاد ساختاری با ضخامت دیواره 3 میلی متر ساخته شده اند. کل سیستم در معرض گرانش است. لوله ها از نظر مکانیکی توسط تکیه گاه های مختلف یک طرفه واقع در نقاط خاصی محدود می شوند. فشار بیش از حد سیال و سایر نیروهای ناشی از جریان بر روی دیواره لوله اعمال می شود. علاوه بر این، افزایش و تغییرات دما باعث انبساط حرارتی و تنش در بخش‌های خط لوله می‌شود.
نتایج و بحث
دبی، توزیع دما و تغییر شکل و تنش لوله را برای افزایش فشار در پمپ، dp محاسبه کنید ، که به تدریج از 2 اتمسفر تا 0.25 اتمسفر متغیر است. حداکثر دما و حداکثر تنش فون میزس بر روی خط لوله به ترتیب در شکل 3 و شکل 4 نشان داده شده است .
شکل 3: حداکثر دما.
شکل 4: حداکثر استرس فون میزس.
نمودارها نشان می دهد که هر دو کمیت کمترین مقدار خود را در dp در حدود 0.5 atm می گیرند. شکل 5 توزیع دما را بر روی خط لوله برای آن مقدار پارامتر نشان می دهد. بنابراین، افزایش دما تقریباً 30 درجه سانتیگراد بالاتر از دمای محیط است. عملکرد را می توان قابل قبول در نظر گرفت زیرا نرخ کل گرمای حذف شده حدود 26 کیلو وات است.
شکل 5: توزیع دما برای افزایش فشار 0.5 atm در پمپ.
فشار سیال و میدان سرعت برای dp = 0.5 atm به ترتیب در شکل 6 و شکل 7 نشان داده شده است .
شکل 6: توزیع فشار سیال برای افزایش فشار 0.5 اتمسفر در پمپ.
شکل 7: میدان سرعت جریان برای افزایش فشار 0.5 اتمسفر در پمپ.
توزیع تنش در خط لوله در شکل 8 نشان داده شده است . حداکثر تنش فون میزس در حدود 100 مگاپاسکال است که بسیار کمتر از قدرت تسلیم ماده است.
شکل 8: تنش فون میزس در خط لوله تغییر شکل یافته برای افزایش فشار 0.5 اتمسفر در پمپ.
دو نمودار زیر نیروی مقطع و گشتاور را نشان می دهد.
شکل 9: گشتاور خمشی کل برای افزایش فشار 0.5 اتمسفر در پمپ.
شکل 10: نیروی برشی کل برای افزایش فشار 0.5 atm در پمپ.
نکاتی درباره پیاده سازی COMSOL
راه‌اندازی مدل را با افزودن یک رابط چندفیزیکی هندسه ثابت، تعامل سیال-لوله شروع کنید. این دو رابط فیزیکی، جریان لوله و مکانیک لوله، همراه با یک ویژگی جفت چندفیزیکی، تعامل سیال-لوله را به همراه خواهد داشت.
رابط ها به صورت یک طرفه جفت شده اند. بنابراین، جریان بر جابجایی سازه تأثیر می گذارد، اما تغییر هندسه خط لوله به دلیل تغییر شکل، کوچک فرض می شود و تأثیری بر محاسبات جریان نخواهد داشت.
نیروهای ناشی از جریان، مانند فشار بیش از حد داخلی، نیروی کشش و اتصال به طور خودکار توسط ویژگی کوپلینگ بر روی سازه محاسبه و اعمال می شوند.
بعداً در مدل‌سازی، یک رابط انتقال حرارت در لوله‌ها اضافه می‌کنید. این رابط بر این فرض استوار است که مکانیسم اصلی انتقال حرارت در طول لوله، همرفت حرارتی ناشی از جریان سیال است. بنابراین، هدایت گرما در دیواره های لوله در جهت در امتداد لوله نادیده گرفته می شود. بنابراین، تنها ماده ای که سیال را نشان می دهد برای رابط انتقال حرارت در لوله ها مورد نیاز است. همین امر در مورد رابط Pipe Flow نیز صدق می کند. از آنجایی که هر دو رابط می توانند داده ها را از یک ماده فعال با انتخاب مناسبی که در قسمت Materials در کامپوننت انجام شده است، بگیرند، ماده سیال (در این مورد آب) را به عنوان آخرین مورد اضافه کنید تا از رد شدن جلوگیری شود.
رابط مکانیک لوله به دو ماده نیاز دارد، یکی برای دیواره لوله و دیگری برای سیال موجود. مواد در گره Fluid and Pipe Materials زیر رابط انتخاب می شوند. لیست های انتخاب مواد حاوی تمام مواد موجود در مؤلفه است. حتی اگر گره ماده مربوطه هیچ انتخابی نداشته باشد یا تحت عنوان Materials در مؤلفه نادیده گرفته شود، داده های ماده از ماده انتخاب شده گرفته می شود.
مسیر کتابخانه برنامه: ماژول_مکانیک_سازه /مکانیک_لوله/تنش_خنک_لوله
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  3D کلیک کنید . |
2 | در درخت Select Physics ، Structural Mechanics>Fluid-Structure Interaction>Fluid-Pipe Interaction، Fixed Geometry را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
d1 | 10[cm] | 0.1 متر | قطر لوله 1 |
d2 | 20[cm] | 0.2 متر | قطر لوله 2 |
س | 300 [W/M] | 300 وات بر متر | منبع گرما |
متن | 20 [درجه سانتیگراد] | 293.15 K | دمای خارجی |
dp | 0.5[atm] | 50663 Pa | افزایش فشار |
hpw | 3[mm] | 0.003 متر | ضخامت دیواره لوله |
هندسه را با استفاده از چند ضلعی های از پیش تعریف شده که بخش های مختلف خط لوله را نشان می دهند، بسازید.
هندسه 1
چند ضلعی 1 (pol1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  More Primitives کلیک کنید و Polygon را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cooling_pipeline_stress_main.txt دوبار کلیک کنید . |
5 | قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
6 | زیربخش انتخاب تجمعی را پیدا کنید . روی New کلیک کنید . |
7 | در کادر محاوره ای New Cumulative Selection ، در قسمت متن نام ، piping_main را تایپ کنید . |
8 | روی OK کلیک کنید . |
چند ضلعی 2 (pol2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  More Primitives کلیک کنید و Polygon را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cooling_pipeline_stress_inlet.txt دوبار کلیک کنید . |
5 | قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
6 | زیربخش انتخاب تجمعی را پیدا کنید . روی New کلیک کنید . |
7 | در کادر محاوره ای New Cumulative Selection ، piping_inlet را در قسمت متن نام تایپ کنید . |
8 | روی OK کلیک کنید . |
چند ضلعی 3 (pol3)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  More Primitives کلیک کنید و Polygon را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cooling_pipeline_stress_outlet.txt دوبار کلیک کنید . |
5 | قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
6 | زیربخش انتخاب تجمعی را پیدا کنید . روی New کلیک کنید . |
7 | در کادر محاوره ای New Cumulative Selection ، در قسمت متن نام ، piping_outlet را تایپ کنید . |
8 | روی OK کلیک کنید . |
چند ضلعی 4 (pol4)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  More Primitives کلیک کنید و Polygon را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات چند ضلعی ، بخش مختصات را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل cooling_pipeline_stress_heater.txt دوبار کلیک کنید . |
5 | قسمت Selections of Resulting Entities را پیدا کنید . تیک گزینه Resulting objects selection را انتخاب کنید . |
6 | زیربخش انتخاب تجمعی را پیدا کنید . روی New کلیک کنید . |
7 | در کادر محاوره ای New Cumulative Selection ، piping_heater را در قسمت متن نام تایپ کنید . |
8 | روی OK کلیک کنید . |
لبه های خاصی را برای اضافه کردن نقاطی که خط لوله به صورت مکانیکی پشتیبانی می شود تقسیم کنید.
لبه های پارتیشن 1 (pare1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و لبه های پارتیشن را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لبه های پارتیشن ، قسمت انتخاب لبه را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، pol1 را تایپ کنید : 1-3، 6، 32، 33 در قسمت متن Selection . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای لبه های پارتیشن ، قسمت موقعیت ها را پیدا کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
پارامترهای طول قوس نسبی |
0.25 |
0.5 |
0.75 |
پارتیشن Edges 2 (pare2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و لبه های پارتیشن را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لبه های پارتیشن ، قسمت انتخاب لبه را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، pare1: 7، 8، 11، 20 pol3: 3 را در قسمت متن Selection تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای لبه های پارتیشن ، قسمت موقعیت ها را پیدا کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
پارامترهای طول قوس نسبی |
1/3 |
2/3 |
پارتیشن Edges 3 (pare3)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و لبه های پارتیشن را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای لبه های پارتیشن ، قسمت انتخاب لبه را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، pare2(1): 12, 16, 23, 29 pol2: 3, 4 pol4: 3 را در قسمت متن Selection تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
یک صفحه کاری و سیستم مختصات مرزی مربوطه را برای استفاده در تعریف پشتیبانی تعریف کنید.
صفحه کار 1 (wp1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی صفحه  کار کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای صفحه کار ، قسمت تعریف هواپیما را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع هواپیما ، Vertices را انتخاب کنید . |
4 |  روی دکمه Zoom Box در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
5 | در شی pare3(3) ، فقط نقطه 2 را انتخاب کنید. |
6 | زیربخش دوم راس را پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن انتخاب کلیک کنید . |
7 | در شی pare3(3) ، فقط نقطه 25 را انتخاب کنید. |
8 | زیربخش سوم راس را پیدا کنید . برای انتخاب دکمه ضامن  فعال کردن انتخاب کلیک کنید . |
9 | در شی pare3(3) ، فقط نقطه 1 را انتخاب کنید.  |
10 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
تعاریف
سیستم از هندسه 2 (sys2)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Coordinate Systems کلیک کنید و System را از Geometry انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای System from Geometry ، قسمت System from Geometry را پیدا کنید . |
3 | از لیست Work Plane ، Work Plane 1 (wp1) را انتخاب کنید . |
متغیرهایی برای قطر داخلی لوله برای قسمت های مختلف خط لوله تعریف کنید.
متغیرهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Definitions کلیک راست کرده و Variables را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
از | d1 | متر | قطر داخلی |
4 | قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . از لیست سطح موجودیت هندسی ، Edge را انتخاب کنید . |
5 | از لیست Selection ، piping_main را انتخاب کنید . |
متغیرها 2
1 | روی متغیرهای 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، piping_heater را انتخاب کنید . |
متغیرها 3
1 | روی متغیرهای 2 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
از | d2 | متر | قطر داخلی |
4 | قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . از لیست Selection ، piping_inlet را انتخاب کنید . |
متغیرها 4
1 | روی متغیرهای 3 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، piping_outlet را انتخاب کنید . |
حداکثر عملگر را برای استفاده در تجزیه و تحلیل نتیجه تعریف کنید.
حداکثر 1 (maxop1)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal Couplings کلیک کنید و حداکثر را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حداکثر ، بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح موجودیت هندسی ، Edge را انتخاب کنید . |
4 | از لیست انتخاب ، همه لبه ها را انتخاب کنید . |
دیواره های لوله از فولاد ساختاری، سیال داخل آب و محیط اطراف آن هوا است. مورد دوم برای مشخصات بخش خنک کننده خط لوله مورد نیاز است.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Structural steel را انتخاب کنید . |
4 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
5 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
6 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
مواد
آب (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی Air (mat2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست Selection ، piping_main را انتخاب کنید . |
مواد را اضافه کنید
1 | به پنجره Add Material بروید . |
2 | در درخت، Built-in>Water, liquid را انتخاب کنید . |
3 | کلیک راست کرده و Add to Component 1 (comp1) را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
آب، مایع (mat3)
1 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
2 | از لیست انتخاب ، همه لبه ها را انتخاب کنید . |
جریان لوله (PFL)
خواص سیالات 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Pipe Flow (pfl) روی Fluid Properties 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های سیال ، بخش ورودی مدل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T ، 50[degC] را تایپ کنید . |
خواص لوله 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Pipe Properties 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های لوله ، قسمت Pipe Shape را پیدا کنید . |
3 | از لیست، Circular را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن d i ، di را تایپ کنید . |
5 | قسمت Flow Resistance را پیدا کنید . از لیست زبری سطح ، فولاد تجاری (0.046 میلی متر) را انتخاب کنید . |
مکانیک لوله (PIPEM)
مواد سیال و لوله 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Pipe Mechanics (pipem) روی Fluid and Pipe Materials 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد مایع و لوله ، بخش خصوصیات لوله را پیدا کنید . |
3 | از لیست مواد لوله ، فولاد سازه ای (mat1) را انتخاب کنید . |
مقطع لوله 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Pipe Cross Section 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقطع لوله ، قسمت Pipe Shape را پیدا کنید . |
3 | از لیست، Circular را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن d i ، di را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن d o ، di+hpw را تایپ کنید . |
نیروی گرانشی وارد بر سیال را اضافه کنید. توجه داشته باشید که نیروی تعریف شده در اینجا فقط هنگام محاسبه جریان در خط لوله محاسبه می شود.
جریان لوله (PFL)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Pipe Flow (pfl) کلیک کنید .
حجم 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  لبه ها کلیک کنید و Volume Force را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Volume Force ، قسمت Edge Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه لبه ها را انتخاب کنید . |
یک گره پمپ اضافه کنید و افزایش فشار را در محل انتخابی آن تعیین کنید.
پمپ 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Pump را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 9 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای پمپ ، قسمت مشخصات پمپ را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع ، افزایش فشار را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Δ p ، dp را تایپ کنید . |
فشار مرجع را تعریف کنید.
قفل فشار داخلی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Internal Pressure Lock را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 8 را انتخاب کنید. |
دو اتصال T را در خط لوله تعریف کنید.
T-junction 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و T-junction را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای T-junction ، بخش تنظیمات انتخاب را پیدا کنید . |
3 | تیک گزینه Manual control of selections را پاک کنید . |
خم شدن 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Points کلیک کنید و خم شدن را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Bend ، بخش Point Selection را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 1-3، 7، 10-22، 25، 26، 28، 30، 32، 34-46، 48، 57، 59-61، 63-67، 69، 70، 77- را تایپ کنید. 80، 82-86، 90-96، 100، 101، 105 در قسمت انتخاب متن. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
این انتخاب مربوط به تمام چرخش های هندسی است به جز مواردی که در تنظیم سه گره قبلی استفاده شده اند.
مقادیر اولیه 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی مقادیر اولیه 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقادیر اولیه ، قسمت مقادیر اولیه را پیدا کنید . |
3 | در فیلد متنی مایع u ، -1 را تایپ کنید . |
در مرحله بعد، نیروی گرانشی را که روی خط لوله اعمال می شود، اضافه کنید. وزن دیواره های لوله و سیال حاوی در محاسبات نیرو در نظر گرفته می شود.
مکانیک لوله (PIPEM)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Pipe Mechanics (pipem) کلیک کنید .
جاذبه 1
در نوار ابزار Physics ، روی Global کلیک کنید و Gravity را انتخاب کنید .
Global کلیک کنید و Gravity را انتخاب کنید .محدودیت ثابت 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Fixed Constraint را انتخاب کنید . |
2 | فقط نقطه 8 را انتخاب کنید. |
سایر محدودیت های مکانیکی اعمال شده روی خط لوله را با استفاده از تکیه گاه های یک جهته تعریف کنید.
جابجایی / چرخش تجویز شده 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Prescribed Displacement/Rotation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی/چرخش تجویز شده ، قسمت انتخاب نقطه را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 2-7، 10، 12، 14، 16، 18، 20، 22-34، 36، 38، 40، 42، 44، 46-49، 51-60، 63-65 را تایپ کنید. 67، 68، 70-84، 86-105 در قسمت انتخاب متن. |
5 | روی OK کلیک کنید .  |
در این مکان ها، خط لوله پشتیبانی می شود، که حرکت رو به پایین آن را محدود می کند.
6 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی/چرخش تجویز شده ، بخش جابجایی تجویز شده را پیدا کنید . |
7 | از لیست جهت تعیین شده در z ، Limited را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متن u 0z,min عدد 0 را تایپ کنید . |
جابجایی / چرخش تجویز شده 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Prescribed Displacement/Rotation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی/چرخش تجویز شده ، قسمت انتخاب نقطه را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، 62 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید .  |
در اینجا، حرکت افقی احتمالی اتصال T محدود خواهد شد.
6 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی/چرخش تجویز شده ، بخش جابجایی تجویز شده را پیدا کنید . |
7 | از لیست تجویز شده در x جهت ، محدود را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت u 0x,max ، 0.01 را تایپ کنید . |
جابجایی / چرخش تجویز شده 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Points کلیک کنید و Prescribed Displacement/Rotation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی/چرخش تجویز شده ، قسمت انتخاب نقطه را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Paste Selection ، عدد 50 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید .  |
در این مکان، نوسان احتمالی لوله محدود خواهد شد.
6 | در پنجره تنظیمات برای جابجایی/چرخش تجویز شده ، قسمت انتخاب سیستم مختصات را پیدا کنید . |
7 | از لیست Coordinate system ، System را از Geometry 2 (sys2) انتخاب کنید . |
8 | بخش جابجایی تجویز شده را پیدا کنید . از لیست جهت تجویز شده در x2 ، Limited را انتخاب کنید . |
9 | در قسمت متن u 0 x 2, max ، 0 را تایپ کنید . |
10 | از لیست جهت تجویز شده در x3 ، Limited را انتخاب کنید . |
11 | در قسمت متن u 0 x 3, max ، 0.01 را تایپ کنید . |
12 | در قسمت متن u 0 x 3,min ، -0.01 را تایپ کنید . |
قبل از افزودن رابط انتقال حرارت، یک دنباله حل کننده ایجاد کنید. رابط های Pipe Flow و Pipe Mechanics که تاکنون به مدل اضافه شده اند به صورت یک طرفه جفت شده اند. بنابراین، جریان بر جابجایی سازه تأثیر می گذارد، اما نه برعکس. دنباله حل کننده خود تولید شده از یک حل کننده جدا شده با دو گروه استفاده می کند، جایی که جریان سیال و جابجایی ساختاری به طور متوالی محاسبه می شوند.
مطالعه 1
راه حل 1 (sol1)
در نوار ابزار مطالعه ، روی Show Default Solver کلیک کنید .
Show Default Solver کلیک کنید .فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، انتقال حرارت > انتقال حرارت در لوله ها (htp) را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component 1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
انتقال حرارت در لوله ها (HTP)
انتقال حرارت 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Heat Transfer in Pipes (htp) روی انتقال حرارت 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت ، بخش انتقال حرارت و انتقال حرارت را پیدا کنید . |
3 | از لیست u ، سرعت مماسی (pfl) را انتخاب کنید . |
خواص لوله 1
1 | در پنجره Model Builder ، روی Pipe Properties 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ویژگی های لوله ، قسمت Pipe Shape را پیدا کنید . |
3 | از لیست، Circular را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت متن d i ، di را تایپ کنید . |
5 | قسمت Flow Resistance را پیدا کنید . از لیست زبری سطح ، فولاد تجاری (0.046 میلی متر) را انتخاب کنید . |
منبع حرارت 1
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  لبه ها کلیک کنید و منبع حرارت را انتخاب کنید . |
محل منبع گرما و شدت آن را مشخص کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای منبع گرما ، قسمت Edge Selection را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 12، 13، 15-29، 44-49 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
این انتخاب مربوط به قسمت مارپیچی داخلی هندسه است.
6 | در پنجره تنظیمات برای منبع گرما ، بخش منبع گرما را پیدا کنید . |
7 | در قسمت متن Q ، Q را تایپ کنید . |
انتقال حرارت دیوار 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Edges کلیک کنید و Wall Heat Transfer را انتخاب کنید . |
قسمت بالای خط لوله را که توسط هوای اطراف خنک می شود، تعریف کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت دیوار ، قسمت Edge Selection را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، 4-9، 30-34، 39-43، 51-54، 56، 59-64، 69، 73، 76-87، 90-106 را در قسمت متن انتخاب تایپ کنید. |
5 | روی OK کلیک کنید . |
این انتخاب مربوط به قسمت بالای هندسه است.
6 | در پنجره تنظیمات برای انتقال حرارت دیوار ، بخش مدل انتقال حرارت را پیدا کنید . |
7 | در قسمت T ext Text را تایپ کنید . |
مقاومت فیلم داخلی 1
در نوار ابزار Physics ، روی Attributes کلیک کنید و Internal Film Resistance را انتخاب کنید .
Attributes کلیک کنید و Internal Film Resistance را انتخاب کنید .انتقال حرارت دیوار 1
در پنجره Model Builder ، روی Wall Heat Transfer 1 کلیک کنید .
مقاومت فیلم خارجی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و External Film Resistance را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت فیلم خارجی ، بخش مشخصات را پیدا کنید . |
3 | از لیست مدل های انتقال حرارت فیلم خارجی ، همرفت طبیعی خارجی را انتخاب کنید . |
4 | از لیست مایع اطراف ، هوا (mat2) را انتخاب کنید . |
انبساط حرارتی دیواره های لوله را که در اثر افزایش و تغییرات دما ایجاد می شود، مشخص کنید.
مکانیک لوله (PIPEM)
مواد سیال و لوله 1
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Pipe Mechanics (pipem) روی Fluid and Pipe Materials 1 کلیک کنید .
انبساط حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Attributes کلیک کنید و Thermal Expansion را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گسترش حرارتی ، بخش ورودی مدل را پیدا کنید . |
3 | از لیست T ، دما (htp) را انتخاب کنید . |
4 | از لیست T ref ، User defined را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Text را تایپ کنید . |
متغیرهای وابسته را در حل کننده به روز کنید، که یک گروه جدا شده جدید برای متغیرهای اضافه شده توسط رابط انتقال حرارت ایجاد می کند.
مطالعه 1
راه حل 1 (sol1)
1 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1) را گسترش دهید . |
2 | روی Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Dependent Variables 1 کلیک راست کرده و گزینه Update Variables را انتخاب کنید . |
3 | در پنجره Model Builder ، گره Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1 را گسترش دهید . |
تنظیمات حل کننده را برای گروه جدا شده جدید پیکربندی کنید تا مشابه تنظیمات دو گروه دیگر باشد.
4 | در پنجره Model Builder ، Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1>Segregated 1 node را گسترش دهید ، سپس روی Segregated Step 1 کلیک کنید . |
5 | در پنجره Settings برای Segregated Step ، Heat را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
6 | برای گسترش بخش روش و پایان کلیک کنید . از لیست روش غیر خطی ، خودکار (نیوتن) را انتخاب کنید . |
7 | در قسمت متنی Tolerance factor 1 را تایپ کنید . |
8 | در قسمت حداکثر تعداد تکرار ، 50 را تایپ کنید . |
گروه را به سمت بالا حرکت دهید تا مشکل انتقال حرارت بعد از محاسبه جریان، اما قبل از محاسبه جابجایی ساختاری حل شود.
9 | روی Study 1>Solver Configurations>Solution 1 (sol1)>Stationary Solver 1>Segregated 1>Heat کلیک راست کرده و Move Up را انتخاب کنید . |
نموداری را آماده کنید تا در حین محاسبه جاروب پارامتری نشان داده شود.
10 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Plots کلیک کنید . |
نتایج
خط 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Temperature (htp) را گسترش دهید ، سپس روی Line 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خط ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، degC را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . |
5 | چک باکس Radius scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 3 را تایپ کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، کلیک کنید تا بخش Results When Solving گسترش یابد . |
3 | کادر Plot را انتخاب کنید . |
4 | از لیست گروه Plot ، دما (htp) را انتخاب کنید . |
افزایش فشار در پمپ به تدریج از 2 atm به 0.25 atm کاهش می یابد.
5 | برای گسترش بخش Study Extensions کلیک کنید . کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
6 |  روی افزودن کلیک کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
dp (افزایش فشار) | محدوده (2,-0.25,0.25) | دستگاه خودپرداز |
8 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
فشار (pfl)
حداکثر مقادیر دما و تنش فون میزس به دست آمده در طول خط لوله را برای تمام مقادیر محاسبه شده افزایش فشار رسم کنید.
حداکثر دما
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، حداکثر دما را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Legend را پیدا کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
جهانی 1
1 | روی Maximum Temperature کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
maxop1 (T) | tenC | حداکثر دما |
4 | در نوار ابزار حداکثر دما ، روی  Plot کلیک کنید . |
حداکثر استرس فون میزس
1 | در پنجره Model Builder ، روی Maximum Temperature کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، Maximum von Mises Stress را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Maximum von Mises Stress را گسترش دهید ، سپس روی Global 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
maxop1 (pipem.mises) | N/m^2 | حداکثر استرس فون میزس |
4 | در نوار ابزار Maximum von Mises Stress ، روی  Plot کلیک کنید . |
نمودارها باید مشابه آنچه در شکل 3 و شکل 4 نشان داده شده است باشد . آنها نشان می دهند که هر دو کمیت برای افزایش فشار 0.5 اتمسفر به حداقل مقدار محلی خود می رسند.
نمودارهای پیش فرض را برای انتخاب این مقدار پارامتر dp به روز کنید .
فشار (pfl)
1 | در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی Pressure (pfl) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (dp (atm)) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
خط 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Pressure (pfl) را گسترش دهید ، سپس روی Line 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خط ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست Unit ، atm را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . |
5 | چک باکس Radius scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 3 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار فشار (pfl) ، روی  Plot کلیک کنید . |
سرعت (pfl)
1 | در پنجره Model Builder ، در زیر Results روی Velocity (pfl) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (dp (atm)) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
پیکان خط 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Velocity (pfl) را گسترش دهید ، سپس روی Arrow Line 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای خط پیکان ، قسمت موقعیت یابی پیکان را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی Number of arrows عدد 80 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . از لیست نوع پیکان ، مخروط را انتخاب کنید . |
5 | از لیست پایه پیکان ، مرکز را انتخاب کنید . |
6 | تیک گزینه Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 2 را تایپ کنید . |
7 | در نوار ابزار Velocity (pfl) ، روی  Plot کلیک کنید . |
استرس (pipem)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی Stress (pipem) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (dp (atm)) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
خط 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Stress (pipem) را گسترش دهید ، سپس روی Line 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خط ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، MPa را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . در قسمت متنی Radius scale factor ، 3 را تایپ کنید . |
5 |  روی تغییر جدول رنگ کلیک کنید . |
6 | در کادر محاوره ای Color Table ، Rainbow>Rainbow را در درخت انتخاب کنید. |
7 | روی OK کلیک کنید . |
تغییر شکل
1 | در پنجره Model Builder ، گره Line 1 را گسترش دهید ، سپس روی Deformation کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش مقیاس را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Stress (pipem) ، روی  Plot کلیک کنید . |
دما (htp)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی دما (htp) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (dp (atm)) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (htp) ، روی  Plot کلیک کنید . |
ممان خمشی کل (لوله)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Results کلیک راست کرده و Add Predefined Plot>Study 1/Solution 1 (sol1)>Pipe Mechanics>Total Bending Moment (pipem) را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (dp (atm)) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
خط 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Total Bending Moment (pipem) را گسترش دهید ، سپس روی Line 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خط ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، kN*m را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . در قسمت متنی Radius scale factor ، 3 را تایپ کنید . |
تغییر شکل
1 | در پنجره Model Builder ، گره Line 1 را گسترش دهید ، سپس روی Deformation کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش مقیاس را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Total Bending Moment (pipem) ، روی  Plot کلیک کنید . |
نیروی برشی کل (لوله)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Results کلیک راست کرده و Add Predefined Plot>Study 1/Solution 1 (sol1)>Pipe Mechanics>Total Shear Force (pipem) را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 3D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (dp (atm)) ، 0.5 را انتخاب کنید . |
خط 1
1 | در پنجره Model Builder ، گره Total Shear Force (pipem) را گسترش دهید ، سپس روی Line 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات خط ، بخش Expression را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد ، kN را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . در قسمت متنی Radius scale factor ، 3 را تایپ کنید . |
تغییر شکل
1 | در پنجره Model Builder ، گره Line 1 را گسترش دهید ، سپس روی Deformation کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تغییر شکل ، بخش مقیاس را پیدا کنید . |
3 | چک باکس Scale factor را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، 1 را تایپ کنید . |
4 | در نوار ابزار Total Shear Force (pipem) ، روی  Plot کلیک کنید . |
