Ansys Discovery를 사용하여 밸브 성능을 평가하고 엔지니어가 더 나은 제품을 설계할 수 있도록 지원하는 방법을 알아보세요.
밸브 이해
밸브는 산업 공정에서 유체(액체, 가스 또는 슬러리)의 흐름을 제어하는 데 사용되는 기계 장치입니다. 산업 공정에서 유량 제어, 파이프라인의 압력 조절, 유지보수를 위한 시스템 격리, 안전 및 과압 보호, 유압 및 공압 시스템에서 방향 제어에 중요한 역할을 합니다. 유형과 분류는 다음과 같습니다:
- 게이트 밸브(온/오프 제어, 풀 보어)
- 글로브 밸브 (유량 조절)
- 볼 밸브 (빠른 온/오프, 낮은 압력 강하)
- 버터플라이 밸브 (대구경 애플리케이션)
- 체크 밸브 (역류 방지)
- 압력 릴리프 밸브 (과압으로부터 보호)
주요 밸브 구성 요소는 다섯 가지입니다:
- Body. 내부 부품을 포함하고 배관에 연결되는 주요 구조물입니다,
- 보닛. 내부 부품에 접근할 수 있는 덮개입니다.
- 시트. 디스크가 닫히는 밸브 본체 내부의 씰링 표면.
- 디스크. 시트에 밀착되어 유량을 조절하는 가동 부품.
- 스템. 밸브를 열거나 닫는 동작을 전달하는 막대 또는 샤프트.
성능
개방 영역이 가변적이기 때문에 마찰 손실은 밸브를 통과하는 유량에 따라 달라집니다. 실험 테스트를 통해 압력 강하(Δp)와 유량(Q)을 측정하고 유체 밀도를 측정하여 유량과 유체 저항 간의 다양한 상관 관계를 확인했습니다. (r) 와 국부적 중력 가속도(g). 가장 중요한 상관 관계는 압력 강하, 저항 계수입니다. (z) 와 유량 계수(Cv):
여기서 SG는 다음과 같은 비중입니다. rg, 속도(V)는 연속성 방정식에서 구합니다. 이 데이터는 정확한 내부 치수가 아닌 밸브의 표준 크기 지정을 사용하여 제공됩니다. 이 방식은 밸브의 정확한 성능을 항상 반영하는 것은 아니지만 여러 제조업체의 밸브 선택 및 비교를 간소화합니다. 그런 다음 성능은 아래 그림과 같이 표 또는 그래프로 표시됩니다(더미 값):
1부: 탐색 모드에서의 시뮬레이션
밸브 성능은 다양한 요인에 의해 영향을 받을 수 있으며, 시뮬레이션은 이러한 문제를 극복할 수 있는 솔루션을 제공합니다. 주요 과제 중 하나는 다양한 작동 조건에서 밸브 동작을 정확하게 예측하는 것입니다. 엔지니어는 밸브 내부의 흐름을 시뮬레이션함으로써 개선 영역을 변경하고 밸브 설계를 최적화하여 효율적이고 안정적인 작동을 위해 압력 강하를 최소화할 수 있는 방법을 분석할 수 있습니다.
이 예제에서는 Ansys Discovery 2024R2를 사용했습니다. Ansys Discovery는 모델링, 시뮬레이션 설계 탐색 및 솔루션 분석을 위한 몰입형 대화형 작업 공간을 제공하는 종합적인 툴입니다. 직접 모델링 기술을 사용하여 형상을 생성 및 수정하고, 시뮬레이션을 정의하고, 결과와 실시간으로 상호 작용할 수 있습니다.
설명
도메인은 위의 첫 번째 이미지에 표시된 게이트 밸브로 구성됩니다. 시뮬레이션은 먼저 탐색 모드(파트 I)에서 풀고, 그다음에 구체화 모드(파트 II)에서 풀게 됩니다. 압력 강하 대 유량 및 저항 계수 대 개방 그래프는 4개의 밸브 위치, 4개의 유량, 밸브 크기 D= 51mm(2인치)에 대해 찾은 데이터를 사용하여 작성됩니다.
- 입구: 네 가지 속도는 0.5, 1.5, 2.5, 3.5m/s입니다.
- 출구: 제로 정압(Pa).
- 작동 유체: 20°C(68F)의 물.
- 온도: 시뮬레이션은 주어진 온도에서 등온 상태입니다.
단계
- 지오메트리 준비
서로 다른 구성 요소(폴더)를 만들어 트리에서 구성 요소를 그룹화합니다. 여기에는 하우징, 서로 다른 개방 위치의 스템/디스크, 연결부가 있습니다. 개방 위치의 경우 지오메트리에 따라 밸브를 닫을 수 있는 총 거리가 있습니다. 이 경우 최소 개방은 유량이 밸브를 통과할 수 있도록 10.4%로 정의되었습니다.
- 유체 영역
아래와 같이 구성 요소를 비활성화하고 숨깁니다. ‘준비’ 탭의 ‘볼륨 추출’로 이동합니다. 다음 단계를 따르세요: 1) 영역을 둘러싸고 있는 면을 선택하고, 2) 볼륨 내에 있는 면을 선택하고, 3) 완료를 클릭합니다. 오른쪽 그림은 단면도를 보여줍니다. 이것은 다른 스템/디스크 위치에 의해 절단될 유체 영역입니다. 볼륨의 이름을 FluidDomain11로 변경했습니다. - 모델 설정
이제 탐색 모드로 전환합니다. ‘시뮬레이션’ 탭의 ‘유체 흐름’ 유량으로 이동합니다. ‘입구’와 오른쪽 포트를 선택하고 입구 속도를 0.5m/s로 입력한 다음 온도를 20°C로 변경합니다. 이 과정을 반복하되 이번에는 ‘출구’와 왼쪽 포트를 선택합니다. 압력과 온도를 입력합니다. 절차를 따릅니다.트리에서 두 가지 재료를 볼 수 있습니다: 고체용 구조용 강철 S275N(기본값)과 유체입니다. 두 번 클릭하고 유체가 선택되었는지 확인합니다. 기본 밀도와 점도를 20°C의 값과 일치하도록 변경했습니다. 열 속성은 여기서는 사용되지 않으므로 23°C에 대한 값이 있지만, 이 경우 그에 따라 변경합니다. 또한 초기 온도를 20°C로 변경하고 중력을 활성화합니다.
다음을 수행해야 합니다. 시뮬레이션할 초기 스템/디스크 위치로 유체 도메인을 잘라내야 합니다. 이 작업은 ‘커팅 바디’라는 도구를 사용하여 수행합니다: 1) 유체 도메인을 마우스 오른쪽 버튼으로 클릭하고 ‘겹치는 바디’ 및 ‘커터 바디로 설정'(이렇게 하면 트리에서 선택한 솔리드 바디가 시뮬레이션 중에 유체 도메인을 절단할 수 있습니다), 2) 바디/컴포넌트를 마우스 오른쪽 클릭하여 커터 바디로 제거 3) 줄기/디스크 위치 ‘Pos 4(100%)’는 유체 도메인을 절단하는 유일한 바디이므로 제외합니다.
시뮬레이션을 더 쉽게 실행하기 위해 처음부터 설정한 네 가지 속도로 유입구를 파라미터화할 수도 있습니다. 1) 트리에 있는 ‘흐름 유입구 1’을 클릭하고 파라미터화 버튼을 선택하고, 2) 파라미터화 테이블을 열고, 3) 속도 값을 입력하고, 4) 표시된 버튼을 클릭하고, 마지막으로 5) 모든 설계 지점을 업데이트합니다. Discovery가 모든 시뮬레이션을 해결하는 동안 다른 작업을 수행할 수 있습니다.
- 솔루션
각 모델마다 다른 단위 시스템에서 속도, 정압, 총 압력, 온도 및 와류 람다 2의 결과를 볼 수 있습니다. 이 데모에서는 이 중 처음 두 가지를 확인하겠습니다. 다음 그림은 자오면에 정렬된 ‘방향 필드’를 보여줍니다. 이 시각화를 보려면 화면 오른쪽 하단의 ‘결과 아크’로 이동하여 첫 번째 아이콘을 선택합니다.탐색 모드에서 결과의 정확도와 시뮬레이션 시간은 충실도에 따라 달라집니다. 그런 다음 매개변수화 표의 결과는 동일한 충실도에 대한 네 가지 값 세트를 보여줍니다. 이 데모에서는 세 가지 충실도 값으로 작업하여 결과를 비교했으며, 그 결과는 표 1에 나와 있습니다. 다음 그림은 Discovery의 마지막 결과 세트와 일반적인 결과를 보여줍니다. 위 그림은 1번 세트의 3.5m/s에 대한 결과입니다.
이제 표 1에서 ‘압력 강하 대 유량’ 곡선을 만들 수 있습니다. 각 유입 속도에 대한 최소점과 최대점을 연결하는 두 개의 선이 있습니다. 나머지 스템/디스크 위치(다른 개구부)를 커터 본체와 매개변수화 테이블로 사용하여 동일한 시뮬레이션 절차를 반복하면 저항 계수의 범위를 쉽게 계산할 수 있습니다. 그래프는 다음과 같이 표시됩니다. The 주요 이점 는 사용자가 실제 곡선의 범위를 알 수 있지만 각 모델에 대해 최대 2분의 처리 시간 내에 결과를 얻을 수 있다는 것입니다.
이것으로 밸브 성능 시뮬레이션의 첫 번째 부분을 마칩니다. 두 번째 파트에서는 세분화 모드에서 동일한 그래프를 더 정확하게 작성하기 위해 설정, 풀이 및 결과를 얻는 방법을 배웁니다. 파일은 다운로드할 수 있습니다.
