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Analyse de la performance des vannes à l’aide de la simulation CFD : Partie I

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Apprenez à utiliser Ansys Discovery pour évaluer les performances des vannes et permettre aux ingénieurs de concevoir de meilleurs produits.

Comprendre les vannes

Les vannes sont des dispositifs mécaniques utilisés pour contrôler le débit des fluides (liquides, gaz ou boues) dans les processus industriels. Elles jouent un rôle crucial dans le contrôle du débit des processus industriels, la régulation de la pression dans les canalisations, l’isolation des systèmes pour la maintenance, la sécurité et la protection contre les surpressions, ainsi que le contrôle de la direction dans les systèmes hydrauliques et pneumatiques. Les types et la classification sont présentés ci-dessous :

Vannes à guillotine (Contrôle tout ou rien, passage intégral)
Robinets à soupape (Régulation du débit)
Vannes à bille (Ouverture/fermeture rapide, faible perte de charge)
Vannes papillon (Applications de grand diamètre)
Clapets anti-retour (Prévenir les retours d’eau)
Soupapes de sûreté (Protégez contre les surpressions)

Les principaux composants de la valve sont au nombre de cinq :

Corps. Structure principale qui contient les pièces internes et se connecte à la tuyauterie,
Chapeau. Couvercle permettant d’accéder aux pièces internes.
Siège. Surface d’étanchéité à l’intérieur du corps du robinet contre laquelle le disque se ferme.
Disque. Pièce mobile qui contrôle le débit en appuyant sur le siège.
Tige. Tige ou arbre qui transmet le mouvement d’ouverture/fermeture de la soupape.

Performances

La surface d’ouverture étant variable, la perte de charge dépend du débit qui traverse la vanne. Des essais expérimentaux ont permis d’établir différentes corrélations entre le débit et la résistance à l’écoulement, en mesurant la perte de charge (Δp) et le débit (Q), ainsi qu’en déterminant la densité du fluide. (r) et l’accélération locale de la gravité (g). Les corrélations les plus importantes sont la perte de charge, le coefficient de résistance (z) et le coefficient d’écoulement (Cv) :

Où SG est la gravité spécifique égale à rg, et la vitesse (V) est obtenu à partir de l’équation de continuité. Les données sont fournies en utilisant la désignation de la taille standard de la vanne, plutôt que ses dimensions internes exactes. Cette pratique simplifie la sélection et la comparaison des vannes entre les différents fabricants, bien qu’elle ne reflète pas toujours les performances précises de la vanne. Les performances sont ensuite présentées dans des tableaux ou des graphiques comme indiqué ci-dessous (valeurs fictives) :

Partie I : Simulation en mode exploration

La performance des vannes peut être influencée par différents facteurs et la simulation offre des solutions pour surmonter ces défis. L’un des principaux défis consiste à prédire avec précision le comportement de la vanne dans différentes conditions de fonctionnement. En simulant l’écoulement à l’intérieur de la vanne, les ingénieurs peuvent analyser comment les pertes de charge peuvent être minimisées en changeant les domaines d’amélioration et en optimisant la conception de la vanne pour un fonctionnement efficace et fiable.

Pour cet exemple, nous utilisons Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery est un outil complet qui offre un espace de travail immersif et interactif pour la modélisation, l’exploration de la conception de simulation et l’analyse de solutions. Il vous permet de créer et de modifier la géométrie à l’aide de la technologie de modélisation directe, de définir des simulations et d’interagir avec les résultats en temps réel.

Description

Le domaine est constitué d’un robinet-vanne illustré dans la première image ci-dessus. Les simulations seront d’abord résolues en mode Exploration (Partie I) puis en mode Affinage (Partie II). Les graphiques de la chute de pression en fonction du débit et du coefficient de résistance en fonction de l’ouverture sont construits à l’aide des données trouvées pour quatre positions de vanne, quatre débits et la taille de la vanne de D= 51 mm (2 in).

Entrée : Les quatre vitesses sont 0,5, 1,5, 2,5, 3,5 m/s.
Sortie : Pression statique nulle en Pa.
Fluide de travail : Eau à 20°C (68 F).
Température : Les simulations sont isothermes à la température donnée.

Étapes

Préparation à la géométrie
Regroupez les composants dans l’arbre en créant différents composants (dossiers). Ici, il y en a un pour le boîtier, la tige/les disques dans différentes positions d’ouverture et les connexions. Pour les positions d’ouverture, en fonction de votre géométrie, il y aura une distance totale pour fermer la vanne. Dans ce cas, l’ouverture minimale a été définie à 10,4 % pour permettre au flux de traverser la vanne.

Domaine des fluides
Désactivez et cachez les composants comme indiqué ci-dessous. Allez dans l’onglet ‘Prepare’ &gt ; ‘Volume Extract’. Suivez les étapes suivantes : 1) sélectionnez les faces qui clôturent la région, 2) sélectionnez une face qui se trouve dans le volume et 3) cliquez sur Terminer. L’image de droite montre la vue en coupe. Il s’agit du domaine fluide qui sera coupé par les différentes positions des tiges/disques. J’ai renommé le volume FluidDomain11.
Configuration du modèle
Passez maintenant en mode Exploration. Allez dans l’onglet ‘Simulation’ &gt ; ‘Fluid Flow’ &gt ; Flow. Sélectionnez ‘Inlet’ et le port de droite, saisissez la vitesse d’entrée de 0,5 m/s et modifiez la température à 20°C. Répétez le processus, mais cette fois-ci, sélectionnez « Sortie » et l’orifice gauche. Saisissez la pression et la température. Suivez la procédure.
Deux matériaux sont visibles sur l’arbre : Acier de construction S275N pour les solides (par défaut) et un fluide. Double-cliquez et vérifiez que Liquide est sélectionné. J’ai modifié la densité et la viscosité par défaut pour qu’elles correspondent aux valeurs à 20°C. Les propriétés thermiques ont des valeurs pour 23°C car elles ne sont pas utilisées ici, mais si c’est le cas, modifiez-les en conséquence. De plus, modifiez la température initiale à 20°C et activez la gravité.

Nous devons couper le domaine fluide par la position initiale de la tige/du disque à simuler. Pour ce faire, utilisez l’outil « Cutting Bodies » (corps de coupe) : 1) Cliquez avec le bouton droit de la souris sur le domaine fluide &gt ; ‘Overlapping Bodies’ &gt ; ‘Set to be cutter bodies’ (cela permet aux corps solides sélectionnés sur l’arbre de couper le domaine fluide pendant la simulation), 2) cliquez avec le bouton droit de la souris sur les corps/composants pour les supprimer en tant que corps de coupe 3) sauf la position de la tige/du disque ‘Pos 4 (100%)’ car c’est le seul corps qui coupera le domaine fluide.

Pour faciliter l’exécution des simulations, nous pouvons également paramétrer l’entrée avec les quatre vitesses que nous avons établies au début : 1) cliquez sur ‘Flow Inlet 1’ situé sur l’arbre et sélectionnez le bouton Parametrization, 2) ouvrez le tableau de paramétrage, 3) tapez les valeurs de vitesse, 4) cliquez sur le bouton affiché et enfin, 5) mettez à jour tous les points de conception. Vous pouvez faire autre chose pendant que Discovery résout toutes les simulations.
Solution
Pour chaque modèle, vous verrez les résultats de la vitesse, de la pression statique, de la pression totale, de la température et des tourbillons Lambda 2 dans différents systèmes d’unités. Dans cette démo, nous allons vérifier les deux premiers. L’image suivante présente le « champ de direction » aligné sur le plan méridien. Pour obtenir cette visualisation, allez dans l' »Arc des résultats » en bas à droite de l’écran et sélectionnez la première icône.
En mode Exploration, la précision des résultats et le temps de simulation dépendent de la fidélité. Ensuite, les résultats du tableau de paramétrage montrent quatre ensembles de valeurs pour la même fidélité. Dans cette démo, j’ai travaillé avec trois valeurs de fidélité pour comparer les résultats, qui sont présentés dans le tableau 1. L’image suivante montre la dernière série de résultats de Discovery et les résultats généraux. L’image ci-dessus correspond à la valeur de 3,5 m/s de l’ensemble 1.
Vous pouvez maintenant construire la courbe « Perte de charge en fonction du débit » à partir du tableau 1. Deux lignes relient les points minimum et maximum pour chaque vitesse d’entrée. Si vous répétez la même procédure de simulation en utilisant le reste des positions de la tige/du disque (différentes ouvertures) comme corps de coupe, ainsi que le tableau de paramétrage, vous pouvez facilement calculer la plage du coefficient de résistance. Les graphiques sont présentés comme suit. Les graphiques sont présentés comme suit. principal avantage est que l’utilisateur connaît la fourchette dans laquelle la courbe réelle peut se situer, mais avec des résultats obtenus en 2 minutes de temps de traitement pour chaque modèle.
Ceci conclut la première partie de la simulation des performances des vannes. Dans la deuxième partie, vous apprendrez comment configurer, résoudre et obtenir des résultats pour construire les mêmes graphiques avec plus de précision en mode Affinage. Les fichiers seront disponibles au téléchargement.