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Análisis del rendimiento de las válvulas mediante simulación CFD: Parte I

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Aprenda a utilizar Ansys Discovery para evaluar el rendimiento de las válvulas, lo que permitirá a los ingenieros diseñar mejores productos.

Comprender las válvulas

Las válvulas son dispositivos mecánicos utilizados para controlar el flujo de fluidos (líquidos, gases o lodos) en procesos industriales. Desempeñan un papel crucial en el control del caudal en los procesos industriales, la regulación de la presión en las tuberías, el aislamiento del sistema para el mantenimiento, la seguridad y la protección contra sobrepresiones y, el control de la dirección en los sistemas hidráulicos y neumáticos. A continuación se presentan los tipos y su clasificación:

Válvulas de compuerta (Mando on/off, paso total)
Válvulas de globo (Regulación del caudal)
Válvulas de bola (Conexión y desconexión rápidas, baja caída de presión)
Válvulas de mariposa (Aplicaciones de gran diámetro)
Válvulas antirretorno (Evitan el reflujo)
Válvulas de alivio de presión (Protegen contra la sobrepresión)

Los componentes clave de la válvula son cinco:

Cuerpo. Estructura principal que contiene las piezas internas y se conecta a las tuberías,
Bonete. Tapa que da acceso a las piezas internas.
Asiento. Superficie de sellado dentro del cuerpo de la válvula contra la que cierra el disco.
Disco. Pieza móvil que controla el flujo presionando contra el asiento.
Vástago. Vástago o eje que transmite el movimiento para abrir/cerrar la válvula.

Rendimiento

Como el área de apertura es variable, la pérdida por fricción depende del caudal que atraviesa la válvula. Las pruebas experimentales han proporcionado diferentes correlaciones entre el caudal y la resistencia al flujo, midiendo la caída de presión (Δp) y el caudal (Q), así como determinando la densidad del fluido (r) y la aceleración local de la gravedad (g). Las correlaciones más importantes son la caída de presión, el coeficiente de resistencia (z) y el coeficiente de flujo (Cv):

Donde SG es la Gravedad Específica igual a rg, y la velocidad (V) se obtiene a partir de la ecuación de continuidad. Los datos se facilitan utilizando la designación del tamaño estándar de la válvula, en lugar de sus dimensiones internas exactas. Esta práctica simplifica la selección de válvulas y la comparación entre distintos fabricantes, aunque puede que no siempre refleje el rendimiento exacto de la válvula. El rendimiento se presenta entonces en tablas o gráficos como los que se muestran a continuación (valores ficticios):

Parte I: Simulación en modo de exploración

El rendimiento de las válvulas puede verse influido por diversos factores, y la simulación ofrece soluciones para superar estos retos. Uno de los principales retos es predecir con precisión el comportamiento de la válvula en diferentes condiciones de funcionamiento. Mediante la simulación del flujo en el interior de la válvula, los ingenieros pueden analizar cómo pueden minimizarse las caídas de presión cambiando las áreas de mejora y optimizando el diseño de la válvula para un funcionamiento eficaz y fiable.

Para este ejemplo, utilizamos Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery es una herramienta completa que proporciona un espacio de trabajo inmersivo e interactivo para el modelado, la exploración del diseño de simulación y el análisis de soluciones. Le permite crear y modificar geometría utilizando tecnología de modelado directo, definir simulaciones e interactuar con los resultados en tiempo real.

Descripción

El dominio consiste en una válvula de compuerta mostrada en la primera imagen superior. Las simulaciones se resolverán primero en el modo Explorar (Parte I) y después en el modo Refinar (Parte II). Los gráficos de Caída de presión vs Caudal y Coeficiente de resistencia vs Apertura se construyen utilizando los datos encontrados para cuatro posiciones de válvula, cuatro caudales y, el tamaño de válvula de D= 51 mm (2 in).

Entrada: Las cuatro velocidades son 0,5, 1,5, 2,5, 3,5 m/s.
Salida: Presión estática cero en Pa.
Fluido de trabajo: Agua a 20°C (68 F).
Temperatura: Las simulaciones son isotérmicas a la temperatura dada.

Pasos

Preparación de la geometría
Agrupe los componentes en el árbol creando diferentes componentes (carpetas). Aquí, hay una para la carcasa, el vástago/disco en diferentes posiciones de apertura y las conexiones. Para las posiciones de apertura, dependiendo de su geometría, habrá una distancia total para cerrar la válvula. En este caso, la apertura mínima se definió en un 10,4% para permitir que el caudal atravesara la válvula.

Dominio del fluido
Desactive y oculte los componentes como se muestra a continuación. Vaya a la pestaña ‘Preparar’ > ‘Extraer volumen’. Siga los pasos: 1) seleccione las caras que encierran la región, 2) seleccione una cara que se encuentre dentro del volumen y, 3) haga clic en Completar. La imagen de la derecha muestra la vista en sección. Este es el dominio de fluido que será cortado por las diferentes posiciones del vástago/disco. He renombrado el volumen como FluidDomain11.
Configuración del modelo
Ahora cambie al Modo Exploración. Vaya a la pestaña ‘Simulación’ > ‘Flujo de fluidos’ > Flujo. Seleccione ‘Entrada’ y el puerto derecho, escriba la velocidad de entrada como 0,5 m/s y cambie la temperatura a 20°C. Repita el proceso pero esta vez seleccione ‘Salida’ y el puerto izquierdo. Teclee la presión y la temperatura. Siga el procedimiento.
Se pueden ver dos materiales en el árbol: Acero estructural S275N para los sólidos (Por defecto) y un fluido. Haga doble clic y compruebe que Líquido está seleccionado. He cambiado la densidad y la viscosidad por defecto para que concuerden con los valores a 20°C. Las propiedades térmicas tienen valores para 23°C ya que no se utilizan aquí, pero si ese es el caso, modifíquelas en consecuencia. Además, cambie la temperatura inicial a 20°C y active la gravedad.

Necesitamos cortar el dominio del fluido por la posición inicial del vástago/disco a simular. Esto se consigue utilizando la herramienta denominada «Cuerpos de corte»: 1) Haga clic con el botón derecho del ratón sobre el dominio de fluido > ‘Cuerpos superpuestos’ > ‘Establecer como cuerpos de corte’ (esto permite que los cuerpos sólidos seleccionados en el árbol corten el dominio de fluido durante la simulación), 2) haga clic con el botón derecho del ratón sobre los cuerpos/componentes para eliminarlos como cuerpos de corte 3) excepto la posición del vástago/disco ‘Pos 4 (100%)’ ya que es el único cuerpo que cortará el dominio de fluido.

Para facilitar la ejecución de las simulaciones, también podemos parametrizar la entrada con las cuatro velocidades que establecimos desde el principio: 1) haga clic en ‘Flow Inlet 1’ situado en el árbol y seleccione el botón Parametrización, 2) abra la tabla de parametrización, 3) escriba los valores de velocidad, 4) haga clic en el botón mostrado y, por último, 5) actualice todos los puntos de diseño. Puede hacer otra cosa mientras Discovery resuelve todas las simulaciones.
Solución
Para cada modelo verá los resultados de Velocidad, Presión estática, Presión total, Temperatura y Vórtices Lambda 2 en diferentes sistemas de unidades. En esta demostración comprobaremos los dos primeros. La siguiente imagen presenta el «Campo de dirección» alineado con el plano meridional. Para obtener esa visualización, vaya al ‘Arco de resultados’ en la parte inferior derecha de la pantalla y seleccione el primer icono.
En el Modo Exploración, la precisión de los resultados y el tiempo de simulación dependen de la Fidelidad. Entonces, los resultados en la Tabla de Parametrización muestran cuatro conjuntos de valores para la misma Fidelidad. En esta Demo, trabajé con tres valores de Fidelidad para comparar los resultados, que se presentan en la Tabla 1. La siguiente imagen muestra el último conjunto de resultados del Descubrimiento y los resultados generales. La imagen anterior corresponde a los 3,5 m/s del conjunto nº 1.
Ahora puede construir la curva «Caída de presión frente a caudal» a partir de la tabla 1. Hay dos líneas que conectan los puntos mínimo y máximo para cada velocidad de entrada. Si repite el mismo procedimiento de simulación utilizando el resto de las posiciones del vástago/disco (diferentes aberturas) como cuerpos de corte, así como la tabla de parametrización, podrá calcular fácilmente el rango del coeficiente de resistencia. Los gráficos se presentan como sigue. El principal ventaja es que el usuario conoce el rango en el que puede estar la curva real, pero con resultados obtenidos en hasta 2 minutos de tiempo de procesamiento para cada modelo.
Con esto concluye la primera parte de la simulación del funcionamiento de las válvulas. En la segunda parte, aprenderá a configurar, resolver y obtener resultados para construir los mismos gráficos con mayor precisión en el modo de perfeccionamiento. Los archivos estarán disponibles para su descarga.