Simulation

Analyse der Ventilleistung mittels CFD-Simulation: Teil I

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Erfahren Sie, wie Sie mit Ansys Discovery die Leistung von Ventilen bewerten können, damit Ingenieure bessere Produkte entwickeln können.

Ventile verstehen

Ventile sind mechanische Vorrichtungen, die zur Steuerung des Flusses von Fluiden (Flüssigkeiten, Gasen oder Schlämmen) in industriellen Prozessen verwendet werden. Sie spielen eine entscheidende Rolle bei der Durchflusskontrolle in industriellen Prozessen, der Druckregulierung in Rohrleitungen, der Systemisolierung zu Wartungszwecken, der Sicherheit und dem Überdruckschutz sowie der Richtungssteuerung in hydraulischen und pneumatischen Systemen. Die Typen und die Klassifizierung werden im Folgenden vorgestellt:

Schieberventile (Auf/Zu-Steuerung, voller Durchgang)
Durchgangsventile (Durchflussregelung)
Kugelhähne (Schnell ein/aus, niedriger Druckverlust)
Schmetterlingsventile (Anwendungen mit großem Durchmesser)
Rückschlagventile (Verhindert Rückfluss)
Druckbegrenzungsventile (Schützen Sie sich vor Überdruck)

Die wichtigsten Ventilkomponenten sind fünf:

Gehäuse. Hauptstruktur, die die internen Teile enthält und mit den Rohrleitungen verbunden ist,
Motorhaube. Abdeckung, die den Zugang zu internen Teilen ermöglicht.
Sitz. Dichtungsfläche im Inneren des Ventilgehäuses, gegen die der Ventilteller schließt.
Scheibe. Bewegliches Teil, das den Durchfluss kontrolliert, indem es gegen den Sitz drückt.
Spindel. Stange oder Welle, die die Bewegung zum Öffnen/Schließen des Ventils überträgt.

Leistung

Da der Öffnungsbereich variabel ist, hängt der Reibungsverlust von der Strömung durch das Ventil ab. Experimentelle Tests haben verschiedene Korrelationen zwischen Durchfluss und Durchflusswiderstand geliefert, indem der Druckabfall (Δp) und der Durchfluss (Q) gemessen wurden, sowie durch die Bestimmung der Flüssigkeitsdichte (r) und die lokale Schwerkraftbeschleunigung (g). Die wichtigsten Korrelationen sind der Druckabfall, der Widerstandskoeffizient (z) und dem Flusskoeffizienten (Cv):

Wobei SG die spezifische Dichte ist, die gleich ist rg, und die Geschwindigkeit (V) ergibt sich aus der Kontinuitätsgleichung. Die Daten werden unter Verwendung der Standardgrößenbezeichnung des Ventils und nicht der genauen Innenabmessungen angegeben. Diese Vorgehensweise vereinfacht die Auswahl von Ventilen und den Vergleich zwischen verschiedenen Herstellern, auch wenn sie nicht immer die genaue Leistung des Ventils widerspiegelt. Die Leistung wird dann in Tabellen oder Diagrammen wie unten gezeigt dargestellt (Dummy-Werte):

Teil I: Simulation im Erkundungsmodus

Die Leistung von Ventilen kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, und die Simulation bietet Lösungen, um diese Herausforderungen zu meistern. Eine der größten Herausforderungen ist die genaue Vorhersage des Ventilverhaltens unter verschiedenen Betriebsbedingungen. Durch die Simulation der Strömung innerhalb des Ventils können Ingenieure analysieren, wie Druckverluste minimiert werden können, indem sie Bereiche mit Verbesserungspotenzial verändern und das Ventildesign für einen effizienten und zuverlässigen Betrieb optimieren.

Für dieses Beispiel verwenden wir Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery ist ein umfassendes Werkzeug, das einen immersiven und interaktiven Arbeitsbereich für die Modellierung, die Erkundung von Simulationsdesigns und die Lösungsanalyse bietet. Es ermöglicht Ihnen die Erstellung und Änderung von Geometrien mit Hilfe der Direct Modeling-Technologie, die Definition von Simulationen und die Interaktion mit den Ergebnissen in Echtzeit.

Beschreibung

Die Domäne besteht aus einem Schieber, der in der ersten Abbildung oben gezeigt wird. Die Simulationen werden zunächst im Erkundungsmodus (Teil I) und dann im Verfeinerungsmodus (Teil II) gelöst. Die Diagramme Druckabfall vs. Durchflussrate und Widerstandskoeffizient vs. Öffnung werden anhand von Daten erstellt, die für vier Ventilpositionen, vier Durchflussraten und die Ventilgröße D= 51 mm (2 in) ermittelt wurden.

Einlass: Die vier Geschwindigkeiten sind 0,5, 1,5, 2,5 und 3,5 m/s.
Auslass: Null statischer Druck in Pa.
Arbeitsflüssigkeit: Wasser bei 20°C (68 F).
Temperatur: Die Simulationen sind bei der angegebenen Temperatur isothermisch.

Schritte

Vorbereitung der Geometrie
Gruppieren Sie die Komponenten in der Baumstruktur, indem Sie verschiedene Komponenten (Ordner) erstellen. Hier gibt es einen für das Gehäuse, die Spindel/Scheiben in verschiedenen Öffnungspositionen und die Anschlüsse. Für die Öffnungspositionen gibt es, abhängig von Ihrer Geometrie, einen Gesamtabstand zum Schließen des Ventils. In diesem Fall wurde die Mindestöffnung auf 10,4% festgelegt, damit der Durchfluss durch das Ventil fließen kann.

Fluid-Domäne
Deaktivieren und verbergen Sie die Komponenten wie unten gezeigt. Gehen Sie auf die Registerkarte ‚Vorbereiten‘ > ‚Volume extrahieren‘. Folgen Sie den Schritten: 1) wählen Sie die Flächen aus, die die Region umschließen, 2) wählen Sie eine Fläche aus, die innerhalb des Volumens liegt und 3) klicken Sie auf Fertig stellen. Das Bild auf der rechten Seite zeigt die Schnittansicht. Dies ist die Fluid-Domäne, die durch die verschiedenen Positionen der Stiele/Scheiben geschnitten wird. Ich habe das Volumen in FluidDomain11 umbenannt.
Modell einrichten
Wechseln Sie nun in den Erkundungsmodus. Gehen Sie zur Registerkarte ‚Simulation‘ > ‚Fluid Flow‘ > Strömung. Wählen Sie ‚Einlass‘ und den rechten Anschluss, geben Sie die Einlassgeschwindigkeit mit 0,5 m/s ein und ändern Sie die Temperatur auf 20°C. Wiederholen Sie den Vorgang, aber wählen Sie dieses Mal ‚Auslass‘ und den linken Anschluss. Geben Sie den Druck und die Temperatur ein. Folgen Sie der Prozedur.
In der Baumstruktur sind zwei Materialien zu sehen: Baustahl S275N für die Festkörper (Standard) und eine Flüssigkeit. Doppelklicken Sie und stellen Sie sicher, dass Flüssigkeit ausgewählt ist. Ich habe die Standarddichte und -viskosität so geändert, dass sie mit den Werten bei 20°C übereinstimmen. Die thermischen Eigenschaften haben Werte für 23°C, da sie hier nicht verwendet werden, aber wenn das der Fall ist, ändern Sie sie entsprechend. Ändern Sie außerdem die Anfangstemperatur auf 20°C und aktivieren Sie die Schwerkraft.

Wir müssen den Flüssigkeitsbereich um die anfängliche Position des Stiels/der Scheibe, die simuliert werden soll, schneiden. Dies geschieht mit Hilfe des Werkzeugs „Schneidkörper“: 1) Klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Fluiddomäne > ‚Overlapping Bodies‘ > ‚Set to be cutter bodies‘ (dadurch können die ausgewählten Festkörper im Baum die Fluiddomäne während der Simulation schneiden), 2) klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Körper/Komponenten, um sie als Schneidkörper zu entfernen 3) mit Ausnahme der Stamm/Scheibenposition ‚Pos 4 (100%)‘, da dies der einzige Körper ist, der die Fluiddomäne schneiden wird.

Um die Simulationen zu vereinfachen, können wir den Einlass auch mit den vier Geschwindigkeiten parametrisieren, die wir zu Beginn festgelegt haben: 1) klicken Sie auf ‚Flow Inlet 1‘ in der Baumstruktur und wählen Sie die Schaltfläche Parametrisierung, 2) öffnen Sie die Parametrisierungstabelle, 3) geben Sie die Geschwindigkeitswerte ein, 4) klicken Sie auf die angezeigte Schaltfläche und schließlich 5) aktualisieren Sie alle Designpunkte. Sie können etwas anderes tun, während Discovery alle Simulationen löst.
Lösung
Für jedes Modell sehen Sie die Ergebnisse für Geschwindigkeit, statischen Druck, Gesamtdruck, Temperatur und Wirbel Lambda 2 in verschiedenen Einheitensystemen. In dieser Demo werden wir die ersten beiden überprüfen. Das folgende Bild zeigt das ‚Richtungsfeld‘, das an der Meridionalebene ausgerichtet ist. Um diese Visualisierung zu erhalten, gehen Sie zum ‚Ergebnisbogen‘ im unteren rechten Teil des Bildschirms und wählen Sie das erste Symbol.
Im Erkundungsmodus hängen die Genauigkeit der Ergebnisse und die Simulationszeit von der Fidelity ab. Die Ergebnisse in der Parametrisierungstabelle zeigen vier verschiedene Werte für dieselbe Fidelity an. In dieser Demo habe ich mit drei Fidelity-Werten gearbeitet, um die Ergebnisse zu vergleichen, die in Tabelle 1 dargestellt sind. Das nächste Bild zeigt den letzten Satz von Ergebnissen aus Discovery und die allgemeinen Ergebnisse. Das obige Bild ist für die 3,5 m/s von Satz 1.
Jetzt können Sie die Kurve ‚Druckabfall vs. Durchflussrate‘ aus Tabelle 1 erstellen. Es gibt zwei Linien, die die minimalen und maximalen Punkte für jede Eintrittsgeschwindigkeit verbinden. Wenn Sie den gleichen Simulationsvorgang wiederholen und dabei die restlichen Positionen der Spindel/Scheibe (verschiedene Öffnungen) als Schneidkörper sowie die Parametrisierungstabelle verwenden, können Sie den Bereich des Widerstandskoeffizienten leicht berechnen. Die Diagramme werden wie folgt dargestellt. Die Hauptvorteil ist, dass der Benutzer den Bereich kennt, in dem die tatsächliche Kurve liegen könnte, wobei die Ergebnisse in bis zu 2 Minuten Bearbeitungszeit für jedes Modell erzielt werden.
Damit ist der erste Teil der Simulation der Ventilleistung abgeschlossen. Im zweiten Teil werden Sie lernen, wie Sie die gleichen Diagramme im Verfeinerungsmodus einrichten, lösen und Ergebnisse erhalten, um sie genauer zu erstellen. Die Dateien stehen zum Download zur Verfügung.