Simulation of energy losses during the transportation of liquids through a pipeline

Abstract

Pipelines serve as indispensable elements in the transportation of fluids across a wide range of industries. Their operational effectiveness is contingent upon energy losses arising from friction and other contributing factors. This study presents a comparative analysis of analytical methods for quantifying energy losses, with a particular focus on the Darcy-Weisbach equation, and numerical simulations conducted using ANSYS CFX software. The investigation delves into the influence of flow velocity, pipe roughness, and flow regime on energy losses. The results obtained from both analytical and numerical modeling exhibit a high degree of agreement, thereby substantiating the efficacy of numerical methods in optimizing the design of intricate pipeline systems. To illustrate this, a numerical calculation example within a complex pipeline system utilizing ANSYS CFX software is provided. Трубопроводи є невід'ємною частиною багатьох промислових процесів, забезпечуючи транспортування рідин і газів. Ефективність їх роботи безпосередньо впливає на економічність та безпеку виробництва. Одним з ключових аспектів аналізу трубопроводів є оцінка втрат енергії, які виникають внаслідок тертя рідини об стінки труби, зміни напрямку потоку, місцевих опорів та інших факторів. Традиційно для оцінки втрат енергії в трубопроводах використовуються аналітичні методи, засновані на фундаментальних законах гідравліки. Одним з найпоширеніших є формула Дарсі-Вейсбаха, яка дозволяє розрахувати втрати тиску на ділянці труби з урахуванням її довжини, діаметра, шорсткості та швидкості потоку. З розвитком обчислювальної техніки все більшого поширення набувають чисельні методи моделювання, які дозволяють з високою точністю досліджувати складні гідродинамічні процеси в трубопроводах. Програмне забезпечення ANSYS CFX є одним з лідерів у цій галузі, надаючи широкий спектр інструментів для моделювання турбулентних потоків, теплообміну та інших явищ. У статті порівняно результати аналітичних розрахунків за формулою Дарсі-Вейсбаха з результатами чисельного моделювання в ANSYS CFX. Було встановлено високу узгодженість між цими двома методами, що підтверджує достовірність чисельного моделювання. Дослідження показало, що на втрати енергії в трубопроводах впливають такі фактори: швидкість потоку — зі збільшенням швидкості втрати енергії зростають, шорсткість трубопроводу — шорсткі стінки труби створюють більший опір потоку, що призводить до збільшення втрат, режим течії — турбулентний режим течії характеризується більшими втратами енергії, ніж ламінарний. Результати дослідження підтверджують можливість використання чисельних методів для оптимізації конструкцій складних трубопровідних систем. Це дозволяє зменшити втрати енергії, підвищити ефективність роботи трубопроводів та знизити експлуатаційні витрати.