Klepprestatieanalyse met behulp van CFD-simulatie: deel I

Leer hoe u Ansys Discovery kunt gebruiken om de klepprestaties te beoordelen, zodat ingenieurs betere producten kunnen ontwerpen.

Kleppen begrijpen

Kleppen zijn mechanische apparaten die worden gebruikt om de stroom van vloeistoffen (vloeistoffen, gassen of slurries) in industriële processen te regelen. Ze spelen een cruciale rol bij debietregeling in industriële processen, drukregeling in pijpleidingen, systeemisolatie voor onderhoud, veiligheid en overdrukbescherming en richtingscontrole in hydraulische en pneumatische systemen. De typen en classificatie worden als volgt weergegeven:

• Schuifafsluiters (Aan/uit-bediening, volledige doorlaat)
• Bolkleppen (Stroomregeling)
• Kogelkranen (Snel aan/uit, lage drukval)
• Vlinderkleppen (Toepassingen met grote diameter)
• Terugslagkleppen (Voorkom terugstroming)
• Overdrukventielen (Beschermen tegen overdruk)

De belangrijkste klepcomponenten zijn vijf:

1. Lichaam. Hoofdstructuur die de interne onderdelen bevat en aansluit op de leidingen,
2. Motorkap. Deksel dat toegang biedt tot interne onderdelen.
3. Zitplaats. Afdichtingsoppervlak in het kleplichaam waartegen de schijf sluit.
4. Schijf. Beweegbaar deel dat de stroom regelt door tegen de zitting te drukken.
5. Stang. Stang of as die beweging overbrengt om de klep te openen/sluiten.

Prestatie

Omdat het openingsoppervlak variabel is, hangt het wrijvingsverlies af van de stroming die door de klep gaat. Experimentele tests hebben verschillende correlaties opgeleverd tussen stroming en stromingsweerstand, door de drukval (Δp) en stroming (Q) te meten, en door de vloeistofdichtheid te bepalen (R) en de lokale versnelling van de zwaartekracht (G). De belangrijkste correlaties zijn de drukval, de weerstandscoëfficiënt (z) en de stroomcoëfficiënt (Cv):

Waarbij SG het soortelijk gewicht is dat gelijk is aan Rg, en de snelheid (V) wordt verkregen uit de continuïteitsvergelijking. De gegevens worden verstrekt met behulp van de standaardmaataanduiding van de klep, in plaats van de exacte interne afmetingen. Deze praktijk vereenvoudigt de klepselectie en vergelijking tussen verschillende fabrikanten, hoewel dit niet altijd de precieze prestaties van de klep weerspiegelt. De prestaties worden vervolgens weergegeven in tabellen of grafieken, zoals hieronder weergegeven (dummywaarden):

Deel I: Simulatie in de verkenningsmodus

De klepprestaties kunnen door verschillende factoren worden beïnvloed, en simulatie biedt oplossingen om deze uitdagingen te overwinnen. Een van de belangrijkste uitdagingen is het nauwkeurig voorspellen van klepgedrag onder verschillende bedrijfsomstandigheden. Door de stroming in de klep te simuleren, kunnen ingenieurs analyseren hoe drukval kan worden geminimaliseerd door verbeterpunten te veranderen en het klepontwerp te optimaliseren voor een efficiënte en betrouwbare werking.

Voor dit voorbeeld gebruiken we Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery is een uitgebreide tool die een meeslepende en interactieve werkruimte biedt voor modellering, verkenning van simulatieontwerp en analyse van oplossingen. Hiermee kunt u geometrie creëren en wijzigen met behulp van directe modelleringstechnologie, simulaties definiëren en in realtime met resultaten communiceren.

Beschrijving

Het domein bestaat uit een schuifafsluiter zoals weergegeven in de eerste afbeelding hierboven. De simulaties worden eerst opgelost in de Explore-modus (Deel I) en vervolgens in de Refine-modus (Deel II). De grafieken Drukval versus stroomsnelheid en Weerstandscoëfficiënt versus opening zijn opgebouwd met behulp van gegevens gevonden voor vier klepposities, vier stroomsnelheden en de klepgrootte van D = 51 mm (2 inch).

• Inlaat: De vier snelheden zijn 0,5, 1,5, 2,5, 3,5 m/s.
• Uitgang: Nul statische druk in Pa.
• Werkvloeistof: water van 20°C (68 F).
• Temperatuur: De simulaties zijn isotherm bij de gegeven temperatuur.

Stappen

• Geometrie voorbereiding
  Groepeer de componenten in de boom door verschillende componenten (mappen) te maken. Hier is er één voor de behuizing, de stuurpen/schijven in verschillende openingsposities en de aansluitingen. Voor de openingsposities zal er, afhankelijk van uw geometrie, een totale afstand zijn om de klep te sluiten. In dit geval werd de minimale opening gedefinieerd als 10,4% om de stroom door de klep te laten gaan.

  

• Vloeibaar domein
  Schakel de componenten uit en verberg ze zoals hieronder weergegeven. Ga naar het tabblad 'Voorbereiden' > 'Volume-extractie'. Volg de stappen: 1) selecteer de vlakken die het gebied omsluiten, 2) selecteer een vlak dat binnen het volume ligt en 3) klik op Voltooien. De afbeelding rechts toont het doorsnedeaanzicht. Dit is het vloeistofdomein dat wordt afgesneden door de verschillende stengel-/schijfposities. Ik heb het volume hernoemd naar FluidDomain11.
• Modelopstelling
  Schakel nu over naar de verkenningsmodus. Ga naar het tabblad 'Simulatie' > 'Vloeistofstroom' > Stroming. Selecteer 'Inlaat' en de juiste poort, typ de inlaatsnelheid als 0,5 m/s en verander de temperatuur naar 20°C. Herhaal het proces, maar selecteer deze keer 'Outlet' en de linkerpoort. Typ de druk en temperatuur. Volg de procedure.

  Er zijn twee materialen te zien in de boom: Constructiestaal S275N voor de vaste stoffen (standaard) en een vloeistof. Dubbelklik en controleer of Liquid is geselecteerd. Ik heb de standaarddichtheid en viscositeit gewijzigd zodat deze in overeenstemming zijn met de waarden bij 20°C. De thermische eigenschappen hebben waarden voor 23°C omdat ze hier niet worden gebruikt, maar als dat het geval is, verander ze dan dienovereenkomstig. Wijzig bovendien de begintemperatuur naar 20°C en schakel de zwaartekracht in.

  

  Wij moeten snijd het vloeistofdomein af op de initiële stengel-/schijfpositie die moet worden gesimuleerd. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van het gereedschap met de naam “Snijlichamen”: 1) Klik met de rechtermuisknop op het vloeistofdomein > 'Overlappende lichamen' > 'Ingesteld als snijlichamen' (hierdoor kunnen de geselecteerde vaste lichamen in de boom het vloeistofdomein snijden tijdens de simulatie), 2) klik met de rechtermuisknop op lichamen/componenten om ze te verwijderen als snijlichamen 3) behalve de steel/schijfpositie 'Pos 4 (100%)' aangezien dit het enige lichaam is dat het vloeistofdomein zal doorsnijden.

  
  
  Om de simulaties gemakkelijker uit te voeren, kunnen we de inlaat ook parametriseren met de vier snelheden die we vanaf het begin hebben vastgesteld: 1) klik op 'Flow Inlet 1' in de boom en selecteer de knop Parametrisatie, 2) open de parametrisatietabel, 3) typ de snelheidswaarden, 4) klik op de weergegeven knop en ten slotte, 5) werk alle ontwerppunten bij. Terwijl Discovery alle simulaties oplost, kun je iets anders doen.

  
  

• Oplossing
  Voor elk model ziet u de resultaten van snelheid, statische druk, totale druk, temperatuur en Vortices Lambda 2 in verschillende unitsystemen. In deze demo zullen we de eerste twee ervan controleren. De volgende afbeelding toont het 'Richtingsveld', uitgelijnd met het meridionale vlak. Om die visualisatie te krijgen, gaat u naar de 'Resultatenboog' rechtsonder in het scherm en selecteert u het eerste pictogram.

  In de Explore-modus zijn de nauwkeurigheid van de resultaten en de simulatietijd afhankelijk van de betrouwbaarheid. Vervolgens tonen de resultaten in de parametertabel vier reeksen waarden voor dezelfde betrouwbaarheid. In deze demo heb ik met drie Fidelity-waarden gewerkt om de resultaten te vergelijken. Deze worden weergegeven in Tabel 1. De volgende afbeelding toont de laatste reeks resultaten van Discovery en de algemene resultaten. De bovenstaande afbeelding is voor de 3,5 m/s van set #1.

  

  Nu kunt u de curve 'Drukval versus stroomsnelheid' uit Tabel 1 opbouwen. Er zijn twee lijnen die de minimum- en maximumpunten voor elke inlaatsnelheid met elkaar verbinden. Als u dezelfde simulatieprocedure herhaalt met de rest van de spindel-/schijfposities (verschillende openingen) als freeslichamen, evenals de parametrisatietabel, kunt u eenvoudig het bereik van de weerstandscoëfficiënt berekenen. De grafieken worden als volgt weergegeven. De belangrijkste voordeel is dat de gebruiker het bereik kent waarin de werkelijke curve zich kan bevinden, maar dat de resultaten voor elk model in maximaal 2 minuten verwerkingstijd worden verkregen.

  

  Hiermee is het eerste deel van de simulatie van klepprestaties afgerond. In het tweede deel leert u hoe u dezelfde grafieken nauwkeuriger kunt maken, oplossen en verkrijgen in de modus Verfijnen. De bestanden zullen beschikbaar zijn om te downloaden.