Simulation

تحليل أداء الصمامات باستخدام محاكاة عقود الفروقات: الجزء الأول

انضم إلى منتدى المصممين

خبرتك ضرورية للمجتمع. انضم إلينا وساهم بمعرفتك

شارك وتعلّم وتقدّم مع أفضل المحترفين في هذا المجال

تعرف على كيفية استخدام Ansys Discovery لتقييم أداء الصمامات، مما يمكّن المهندسين من تصميم منتجات أفضل.

فهم الصمامات

الصمامات هي أجهزة ميكانيكية تستخدم للتحكم في تدفق السوائل (السوائل، الغازات، أو الملاط) في العمليات الصناعية. إنها تلعب دورًا حاسمًا في التحكم في التدفق في العمليات الصناعية، وتنظيم الضغط في خطوط الأنابيب، وعزل النظام للصيانة، والسلامة والحماية من الضغط الزائد، والتحكم في الاتجاه في الأنظمة الهيدروليكية والهوائية. يتم عرض الأنواع والتصنيف على النحو التالي:

صمامات البوابة (التحكم في التشغيل/الإيقاف، التجويف الكامل)
صمامات الكرة الأرضية (تنظيم التدفق)
الصمامات الكروية (تشغيل/إيقاف سريع، انخفاض الضغط المنخفض)
صمامات الفراشة (تطبيقات ذات قطر كبير)
صمامات الفحص ‏(منع التدفق العكسي)
صمامات تخفيف الضغط (حماية ضد الضغط الزائد)

مكونات الصمام الرئيسية هي خمسة:

جسم. الهيكل الرئيسي الذي يحتوي على الأجزاء الداخلية ويتصل بالأنابيب،
غطاء محرك السيارة. غطاء يوفر الوصول إلى الأجزاء الداخلية.
مقعد. سطح مانع للتسرب داخل جسم الصمام الذي يغلق عليه القرص.
القرص. جزء متحرك يتحكم في التدفق بالضغط على المقعد.
ينبع. قضيب أو عمود ينقل الحركة لفتح/إغلاق الصمام.

أداء

وبما أن مساحة الفتح متغيرة، فإن فقدان الاحتكاك يعتمد على التدفق الذي يمر عبر الصمام. قدمت الاختبارات التجريبية ارتباطات مختلفة بين التدفق ومقاومة التدفق، وذلك عن طريق قياس انخفاض الضغط (Δp) والتدفق (Q)، وكذلك عن طريق تحديد كثافة السائل (ص) والتسارع المحلي للجاذبية (ز). وأهم الارتباطات هي انخفاض الضغط ومعامل المقاومة (ض) ومعامل التدفق (Cv):

حيث SG هي الجاذبية النوعية التي تساوي صز، والسرعة (V) يتم الحصول عليها من معادلة الاستمرارية. يتم توفير البيانات باستخدام تحديد الحجم القياسي للصمام، بدلاً من أبعاده الداخلية الدقيقة. تعمل هذه الممارسة على تبسيط اختيار الصمام ومقارنته عبر الشركات المصنعة المختلفة، على الرغم من أنها قد لا تعكس دائمًا الأداء الدقيق للصمام. يتم بعد ذلك عرض الأداء في جداول أو رسوم بيانية كما هو موضح أدناه (قيم وهمية):

الجزء الأول: المحاكاة في وضع الاستكشاف

يمكن أن يتأثر أداء الصمامات بعوامل مختلفة، وتقدم المحاكاة حلولاً للتغلب على هذه التحديات. أحد التحديات الرئيسية هو التنبؤ بدقة بسلوك الصمام في ظل ظروف التشغيل المختلفة. من خلال محاكاة التدفق داخل الصمام، يمكن للمهندسين تحليل كيفية تقليل انخفاض الضغط عن طريق تغيير مجالات التحسين وتحسين تصميم الصمام من أجل التشغيل الفعال والموثوق.

في هذا المثال، نستخدم Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery هي أداة شاملة توفر مساحة عمل غامرة وتفاعلية للنمذجة واستكشاف تصميم المحاكاة وتحليل الحلول. فهو يسمح لك بإنشاء وتعديل الأشكال الهندسية باستخدام تقنية النمذجة المباشرة، وتحديد عمليات المحاكاة، والتفاعل مع النتائج في الوقت الفعلي.

وصف

يتكون المجال من صمام البوابة الموضح في الصورة الأولى أعلاه. سيتم حل عمليات المحاكاة أولاً في وضع الاستكشاف (الجزء الأول) ثم في وضع التحسين (الجزء الثاني). تم إنشاء الرسوم البيانية لانخفاض الضغط مقابل معدل التدفق ومعامل المقاومة مقابل الفتح باستخدام البيانات الموجودة لأربعة مواضع للصمامات وأربعة معدلات تدفق وحجم الصمام D= 51 مم (2 بوصة).

المدخل: السرعات الأربع هي 0.5، 1.5، 2.5، 3.5 م/ث.
المخرج: ضغط ثابت صفر في Pa.
سائل العمل: الماء عند 20 درجة مئوية (68 فهرنهايت).
درجة الحرارة: عمليات المحاكاة متساوية الحرارة عند درجة حرارة معينة.

خطوات

تحضير الهندسة
قم بتجميع المكونات في الشجرة عن طريق إنشاء مكونات (مجلدات) مختلفة. يوجد هنا واحد للمبيت، والساق/الأقراص في مواضع فتح مختلفة، والوصلات. بالنسبة لأوضاع الفتح، اعتمادًا على هندستك، ستكون هناك مسافة إجمالية لإغلاق الصمام. في هذه الحالة، تم تحديد الحد الأدنى للفتح بنسبة 10.4% للسماح للتدفق بالمرور عبر الصمام.

مجال السوائل
تعطيل وإخفاء المكونات كما هو موضح أدناه. انتقل إلى علامة التبويب “الإعداد” > “استخراج المجلد”. اتبع الخطوات: 1) حدد الوجوه التي تحيط بالمنطقة، 2) حدد الوجه الذي يقع داخل المجلد، و3) انقر فوق “إكمال”. الصورة على اليمين توضح طريقة عرض القسم. هذا هو مجال السوائل الذي سيتم قطعه بواسطة مواضع الجذع/القرص المختلفة. لقد قمت بإعادة تسمية وحدة التخزين إلى FluidDomain11.
إعداد النموذج
انتقل الآن إلى وضع الاستكشاف. انتقل إلى علامة التبويب “المحاكاة” > “تدفق السوائل” > التدفق. حدد “مدخل” والمنفذ الأيمن، واكتب سرعة المدخل بـ 0.5 م/ث وقم بتغيير درجة الحرارة إلى 20 درجة مئوية. كرر العملية ولكن هذه المرة حدد “Outlet” والمنفذ الأيسر. اكتب الضغط ودرجة الحرارة. اتبع الإجراء.
يمكن رؤية مادتين على الشجرة: الفولاذ الإنشائي S275N للمواد الصلبة (افتراضيًا) والسوائل. انقر نقرًا مزدوجًا وتحقق من تحديد Liquid. لقد قمت بتغيير الكثافة واللزوجة الافتراضية لتتوافق مع القيم عند 20 درجة مئوية. الخصائص الحرارية لها قيم تبلغ 23 درجة مئوية لأنها غير مستخدمة هنا، ولكن إذا كان الأمر كذلك، قم بتغييرها وفقًا لذلك. علاوة على ذلك، قم بتغيير درجة الحرارة الأولية إلى 20 درجة مئوية وتمكين الجاذبية.

نحن بحاجة إلى قطع مجال السوائل عن طريق موضع الجذع/القرص الأولي المراد محاكاته. يتم تحقيق ذلك باستخدام الأداة المسماة “أجسام القطع”: 1) انقر بزر الماوس الأيمن على مجال السوائل > “الأجسام المتداخلة” > “تعيين لتكون أجسام قاطعة” (وهذا يسمح للأجسام الصلبة المحددة على الشجرة بقطع مجال السوائل أثناء المحاكاة)، 2) انقر بزر الماوس الأيمن على الأجسام/المكونات لإزالتها كأجسام قاطعة 3) باستثناء موضع الجذع/القرص 'Pos 4 (100%)' لأنه الجسم الوحيد الذي سيقطع مجال السوائل.

لتسهيل تشغيل عمليات المحاكاة، يمكننا أيضًا تحديد المدخل بالسرعات الأربع التي أنشأناها من البداية: 1) انقر فوق “مدخل التدفق 1” الموجود على الشجرة وحدد زر المعلمة، 2) افتح جدول المعلمات، 3) اكتب قيم السرعة، 4) انقر على الزر الموضح وأخيرا، 5) قم بتحديث جميع نقاط التصميم. يمكنك القيام بشيء آخر بينما يقوم Discovery بحل جميع عمليات المحاكاة.
حل
لكل نموذج، سترى نتائج السرعة والضغط الثابت والضغط الإجمالي ودرجة الحرارة والدوامات Lambda 2 في أنظمة الوحدات المختلفة. في هذا العرض التوضيحي، سوف نتحقق من أول اثنين منهم. تعرض الصورة التالية “حقل الاتجاه” المحاذي للمستوى الزوالي. للحصول على هذا التصور، انتقل إلى “قوس النتائج” في الجزء السفلي الأيمن من الشاشة وحدد الرمز الأول.
في وضع الاستكشاف، تعتمد دقة النتائج ووقت المحاكاة على الدقة. ثم، تظهر النتائج في جدول المعلمات أربع مجموعات من القيم لنفس الدقة. في هذا العرض التوضيحي، عملت مع ثلاث قيم دقة لمقارنة النتائج، والتي يتم عرضها في الجدول 1. الصورة التالية توضح آخر مجموعة من النتائج من Discovery والنتائج العامة. الصورة أعلاه هي للمجموعة رقم 1 بسرعة 3.5 م/ث.
يمكنك الآن إنشاء منحنى “انخفاض الضغط مقابل معدل التدفق” من الجدول 1. يوجد خطان يربطان الحد الأدنى والحد الأقصى للنقاط لكل سرعة مدخل. إذا كررت نفس إجراء المحاكاة باستخدام بقية مواضع الجذع/القرص (فتحات مختلفة) كأجسام قاطعة، بالإضافة إلى جدول المعلمات، فيمكنك حساب نطاق معامل المقاومة بسهولة. ويتم عرض الرسوم البيانية على النحو التالي. ال الميزة الرئيسية هو أن المستخدم يعرف النطاق الذي قد يكون فيه المنحنى الفعلي، ولكن مع الحصول على النتائج خلال ما يصل إلى دقيقتين من وقت المعالجة لكل نموذج.
بهذا نختتم الجزء الأول من محاكاة أداء الصمام. في الجزء الثاني، ستتعلم كيفية الإعداد والحل والحصول على نتائج لبناء نفس الرسوم البيانية بشكل أكثر دقة في وضع التحسين. ستكون الملفات متاحة للتنزيل.