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Ansys Discoveryを使用してバルブの性能を評価し、エンジニアがより良い製品を設計できるようにする方法をご紹介します。
バルブを理解する
バルブは、工業プロセスにおける流体（液体、気体、スラリー）の流れを制御するために使用される機械装置です。工業プロセスにおける流量制御、パイプラインにおける圧力調整、メンテナンスのためのシステム隔離、安全性、過圧保護、油圧・空圧システムにおける方向制御などで重要な役割を果たします。種類と分類は以下の通りです：
- ゲートバルブオン/オフ制御、フルボア)
- グローブ弁 (流量調節)
- ボールバルブ (クイックオン/オフ、低圧力損失)
- バタフライバルブ (大口径用途)
- チェックバルブ (逆流防止)
- プレッシャーリリーフバルブ (過圧からの保護)
バルブの主要部品は5つです：
- ボディ.内部部品を収納し、配管に接続する主要構造体、
- ボンネット.内部部品にアクセスするためのカバー。
- シート。ディスクが閉じるバルブボディ内部のシール面。
- ディスク。弁座に押し付けて流れを制御する可動部分。
- ステム。バルブを開閉するための動きを伝達するロッドまたはシャフト。
性能
開口面積は可変であるため、摩擦損失はバルブを通過する流量に依存します。圧力損失(Δp)と流量(Q)を測定し、流体密度を測定することにより、流量と流体抵抗の間に様々な相関関係があることが実験試験で確認されています。 (r) と局所重力加速度(g).最も重要な相関関係は、圧力降下、抵抗係数 (z) と流動係数(Cv)：
ここで、SGは比重で rg、速度(V) は連続方程式から得られます。このデータは、バルブの正確な内径寸法ではなく、バルブの標準サイズ呼称を使用して提供されています。この方法は、バルブの正確な性能を必ずしも反映するものではありませんが、バルブの選択と異なるメーカー間の比較を簡素化します。性能は以下のように表やグラフで示されます（ダミー値）：
パート I: 探索モードでのシミュレーション
バルブの性能は様々な要因によって影響を受けますが、シミュレーションはこれらの課題を克服するためのソリューションを提供します。主な課題の 1 つは、さまざまな動作条件下でのバルブの挙動を正確に予測することです。バルブ内部の流れをシミュレートすることで、エンジニアは、効率的で信頼性の高い動作を実現するために、改善点を変更したり、バルブ設計を最適化したりすることで、圧力損失を最小限に抑えることができるかを解析できます。
この例では、Ansys Discovery 2024R2 を使用しています。Ansys Discovery は，モデリング，シミュレー ション設計の検討，ソリューション解析のための没入型かつインタラクティブ なワークスペースを提供する包括的なツールです．ダイレクトモデリング技術を使用して形状を作成および修正し，シミュレーションを定義して，結果をリアルタイムで操作することができます．
説明
領域は上の最初の画像にあるゲートバルブで構成されています。シミュレーションは、まず探索モード（パートI）で解かれ、次に絞り込みモード（パートII）で解かれます。圧力損失対流量および抵抗係数対開度のグラフは、4 つのバルブ位置、4 つの流量、およびバルブサイズ D= 51 mm (2 インチ) のデータを使用して作成されています。
- 入口：4 つの流速は 0.5、1.5、2.5、3.5 m/s。
- 出口： ゼロ静圧（Pa）。
- 作動流体： 20°C (68 F)の水。
- 温度： シミュレーションは指定された温度で等温です。
ステップ
- ジオメトリーの準備
異なるコンポーネント（フォルダ）を作成して、ツリー内のコンポーネントをグループ化します。ここでは、ハウジング、異なる開口位置のステム/ディスク、および接続用のものがあります。開口位置については、ジオメトリに応じて、バルブを閉じるための総距離があります。この場合、最小開度は、流れがバルブを通過できるように10.4％と定義されました。
- 流体領域
以下のようにコンポーネントを無効にして非表示にします。 準備」タブに移動します。手順に従ってください：1) 領域を囲む面を選択し、2) ボリューム内の面を選択し、3) 完了をクリックします。右の図は断面図です。これは、異なるステム/ディスクの位置によって切断される流体領域です。私はこのボリュームの名前を FluidDomain11 と変えました。 - モデルのセットアップ
エクスプローラモードに切り替えます。Simulation’ Tab > ‘Fluid Flow’ > Flowに進みます。入口’と右のポートを選択し、入口流速を0.5m/sと入力し、温度を20℃に変更します。このプロセスを繰り返しますが、今度は「出口」と左のポートを選択します。圧力と温度を入力します。手順に従ってください。ツリー上に2つの材料が表示されます：構造用鋼材S275N（デフォルト）と流体です。ダブルクリックして、液体が選択されていることを確認してください。デフォルトの密度と粘度を20℃の値と一致するように変更しました。熱特性はここでは使用しないので23℃の値になっていますが、その場合は適宜変更してください。さらに、初期温度を20℃に変更し、重力を有効にします。
私たちは シミュレーションするステム/ディスクの初期位置によって流体領域をカットする必要があります。これは “Cutting Bodies “というツールを使って行います：1) 流体領域上で右クリック > ‘Overlapping Bodies’ > ‘Set to be cutter bodies’ (これにより、ツリー上で選択されたソリッドボディがシミュレーション中に流体領域をカットすることができます), 2) ボディ/コンポーネントを右クリックして、カッターボディとして削除します 3) ステム/ディスク位置 ‘Pos 4 (100%)’ 以外は、流体領域をカットする唯一のボディです。
シミュレーションを実行しやすくするために、最初に設定した4つの流速でインレットをパラメトリゼーションすることもできます。1) ツリー上の’Flow Inlet 1’をクリックし、パラメトリゼーションボタンを選択、2) パラメトリゼーションテーブルを開き、3) 流速値を入力、4) 表示されたボタンをクリック、最後に5) すべてのデザインポイントを更新します。Discoveryがすべてのシミュレーションを解く間、他のことができます。
- 解答
各モデルについて、異なる単位系での速度、静圧、全圧、温度、渦ラムダ2の結果が表示されます。このデモでは、最初の2つをチェックします。次の図は、子午面上に配置された’Direction Field’を示しています。この可視化を得るには、画面右下の’Results Arc’に行き、最初のアイコンを選択します。Exploreモードでは、結果の精度とシミュレーション時間はFidelityに依存します。そして、パラメトリゼーションテーブルの結果は、同じFidelityに対して4つの値のセットを示しています。このデモでは、結果を比較するために3つのFidelityの値で作業しました。次の画像は、ディスカバリーの最後の結果と一般的な結果です。上の図は、セット#1の3.5 m/sの場合です。
これで、表1から「圧力降下 vs 流量」の曲線を作成することができます。各流入流速の最小点と最大点を結ぶ2本の線があります。残りのステム／ディスクの位置（異なる開口部）をカッター本体として、パラメトリゼーションテーブルと同様に同じシミュレーション手順を繰り返すと、抵抗係数の範囲を簡単に計算することができます。グラフは以下の通りです。図 主な利点 は、ユーザが実際の曲線がどの範囲にあるかを知ることができることですが、各モデルについて最大2分の処理時間で結果が得られます。
これで、バルブ性能のシミュレーションの第1部は終了です。後編では、リファインモードで同じグラフをより正確に作成するための設定方法、解き方、結果の出し方を学びます。ファイルはダウンロード可能です。
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