Dowiedz się, jak wykorzystać Ansys Discovery do oceny wydajności zaworów, umożliwiając inżynierom projektowanie lepszych produktów.
Zrozumieć zawory
Zawory są urządzeniami mechanicznymi wykorzystywanymi do kontroli przepływu płynów (cieczy, gazów lub zawiesin) w procesach przemysłowych. Odgrywają one kluczową rolę w kontroli przepływu w procesach przemysłowych, regulacji ciśnienia w rurociągach, izolacji systemu w celu konserwacji, bezpieczeństwa i ochrony przed nadciśnieniem oraz kontroli kierunku w systemach hydraulicznych i pneumatycznych. Poniżej przedstawiono ich rodzaje i klasyfikację:
- Zawory zasuwowe (Sterowanie włącz/wyłącz, pełny otwór)
- Zawory kulowe (Regulacja przepływu)
- Zawory kulowe (Szybkie włączanie/wyłączanie, niski spadek ciśnienia)
- Zawory motylkowe (Zastosowania o dużej średnicy)
- Zawory zwrotne (Zapobieganie przepływowi zwrotnemu)
- Zawory nadmiarowe ciśnieniowe (Chronią przed nadciśnieniem)
Kluczowe elementy zaworu to pięć:
- Korpus. Główna struktura, która zawiera części wewnętrzne i łączy się z orurowaniem,
- Maska. Pokrywa zapewniająca dostęp do części wewnętrznych.
- Gniazdo. Powierzchnia uszczelniająca wewnątrz korpusu zaworu, o którą zamyka się dysk.
- Dysk. Ruchoma część, która kontroluje przepływ poprzez dociskanie do gniazda.
- Trzpień. Pręt lub wałek, który przenosi ruch w celu otwarcia/zamknięcia zaworu.
Wydajność
Ponieważ obszar otwarcia jest zmienny, straty tarcia zależą od przepływu przez zawór. Badania eksperymentalne dostarczyły różnych korelacji między przepływem a oporem przepływu, poprzez pomiar spadku ciśnienia (Δp) i przepływu (Q), a także poprzez określenie gęstości płynu (r) oraz lokalne przyspieszenie grawitacyjne (g). Najważniejsze korelacje to spadek ciśnienia, współczynnik oporu (z) i współczynnik przepływu (Cv):
Gdzie SG to ciężar właściwy równy rg i prędkość (V) uzyskuje się z równania ciągłości. Dane są podawane przy użyciu standardowego oznaczenia rozmiaru zaworu, a nie jego dokładnych wymiarów wewnętrznych. Praktyka ta upraszcza wybór zaworu i porównanie różnych producentów, choć nie zawsze może odzwierciedlać dokładną wydajność zaworu. Wydajność jest następnie przedstawiana w tabelach lub na wykresach, jak pokazano poniżej (wartości fikcyjne):
Część I: Symulacja w trybie eksploracji
Na działanie zaworu mogą wpływać różne czynniki, a symulacja oferuje rozwiązania pozwalające sprostać tym wyzwaniom. Jednym z głównych wyzwań jest dokładne przewidywanie zachowania zaworu w różnych warunkach pracy. Symulując przepływ wewnątrz zaworu, inżynierowie mogą analizować, w jaki sposób można zminimalizować spadki ciśnienia, zmieniając obszary ulepszeń i optymalizując konstrukcję zaworu pod kątem wydajnej i niezawodnej pracy.
W tym przykładzie używamy Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery to kompleksowe narzędzie, które zapewnia wciągający i interaktywny obszar roboczy do modelowania, eksploracji projektów symulacyjnych i analizy rozwiązań. Umożliwia tworzenie i modyfikowanie geometrii przy użyciu technologii modelowania bezpośredniego, definiowanie symulacji i interakcję z wynikami w czasie rzeczywistym.
Opis
Domena składa się z zasuwy pokazanej na pierwszym obrazku powyżej. Symulacje będą rozwiązywane najpierw w trybie Explore (część I), a następnie w trybie Refine (część II). Wykresy zależności spadku ciśnienia od natężenia przepływu i współczynnika oporu od otwarcia są tworzone przy użyciu danych znalezionych dla czterech położeń zaworu, czterech natężeń przepływu i rozmiaru zaworu D = 51 mm (2 cale).
- Wlot: Cztery prędkości wynoszą 0,5, 1,5, 2,5, 3,5 m/s.
- Wylot: Zerowe ciśnienie statyczne w Pa.
- Płyn roboczy: Woda o temperaturze 20°C (68 F).
- Temperatura: Symulacje są izotermiczne w danej temperaturze.
Kroki
- Przygotowanie geometrii
Proszę pogrupować komponenty w drzewie, tworząc różne komponenty (foldery). Tutaj jest jeden dla obudowy, trzpienia/tarcz w różnych pozycjach otwarcia i połączeń. Dla pozycji otwarcia, w zależności od geometrii, będzie całkowita odległość do zamknięcia zaworu. W tym przypadku minimalne otwarcie zostało zdefiniowane jako 10,4%, aby umożliwić przepływ przez zawór.
- Fluid Domain
Proszę wyłączyć i ukryć komponenty, jak pokazano poniżej. Proszę przejść do zakładki „Przygotuj” > „Wyodrębnij wolumin”. Proszę wykonać następujące kroki: 1) wybrać ściany, które zamykają region, 2) wybrać ścianę, która znajduje się w objętości i, 3) kliknąć Zakończ. Rysunek po prawej stronie przedstawia widok przekroju. Jest to domena płynu, która zostanie przecięta przez różne pozycje trzpienia/tarczy. Zmieniłem nazwę objętości na FluidDomain11. - Konfiguracja modelu
Teraz proszę przejść do trybu eksploracji. Proszę przejść do zakładki „Simulation” > „Fluid Flow” > Flow. Proszę wybrać „Wlot” i prawy port, wpisać prędkość wlotową jako 0,5 m/s i zmienić temperaturę na 20°C. Proszę powtórzyć proces, ale tym razem proszę wybrać „Wylot” i lewy port. Proszę wpisać ciśnienie i temperaturę. Proszę postępować zgodnie z procedurą.Na drzewie widoczne są dwa materiały: Stal konstrukcyjna S275N dla ciał stałych (domyślnie) i ciecz. Proszę kliknąć dwukrotnie i sprawdzić, czy wybrana jest ciecz. Zmieniłem domyślną gęstość i lepkość, aby były zgodne z wartościami w temperaturze 20°C. Właściwości termiczne mają wartości dla 23°C, ponieważ nie są tutaj używane, ale jeśli tak jest, proszę je odpowiednio zmienić. Ponadto proszę zmienić temperaturę początkową na 20°C i włączyć grawitację.
Musimy wyciąć domenę płynu przez początkową pozycję trzpienia/tarczy, która ma być symulowana. Można to osiągnąć za pomocą narzędzia o nazwie „Cutting Bodies”: 1) Kliknąć prawym przyciskiem myszy na domenę płynu > „Overlapping Bodies” > „Set to be cutter bodies” (pozwala to wybranym ciałom stałym na drzewie przeciąć domenę płynu podczas symulacji), 2) kliknąć prawym przyciskiem myszy na ciała/komponenty, aby usunąć je jako ciała tnące 3) z wyjątkiem pozycji trzonu/tarczy „Pos 4 (100%)”, ponieważ jest to jedyne ciało, które przetnie domenę płynu.
Aby ułatwić przeprowadzenie symulacji, możemy również sparametryzować wlot z czterema prędkościami, które ustaliliśmy na początku: 1) kliknąć „Flow Inlet 1” znajdujący się na drzewie i wybrać przycisk Parametryzacja, 2) otworzyć tabelę parametryzacji, 3) wpisać wartości prędkości, 4) kliknąć pokazany przycisk i wreszcie 5) zaktualizować wszystkie punkty projektowe. Mogą Państwo robić coś innego, podczas gdy Discovery rozwiązuje wszystkie symulacje.
- Rozwiązanie
Dla każdego modelu zobaczą Państwo wyniki prędkości, ciśnienia statycznego, ciśnienia całkowitego, temperatury i wirów Lambda 2 w różnych układach jednostek. W tym demo sprawdzimy pierwsze dwa z nich. Poniższy rysunek przedstawia „Pole kierunku” wyrównane z płaszczyzną południkową. Aby uzyskać tę wizualizację, proszę przejść do „Łuku wyników” w prawej dolnej części ekranu i wybrać pierwszą ikonę.W trybie Explore dokładność wyników i czas symulacji zależą od Fidelity. Następnie wyniki w tabeli parametryzacji pokazują cztery zestawy wartości dla tej samej Fidelity. W tym demo pracowałem z trzema wartościami Fidelity, aby porównać wyniki, które są przedstawione w Tabeli 1. Następny rysunek przedstawia ostatni zestaw wyników z Discovery i wyniki ogólne. Powyższy obraz dotyczy prędkości 3,5 m/s z zestawu #1.
Teraz można zbudować krzywą „Spadek ciśnienia a natężenie przepływu” z tabeli 1. Istnieją dwie linie, które łączą minimalne i maksymalne punkty dla każdej prędkości wlotowej. Jeśli powtórzą Państwo tę samą procedurę symulacji, wykorzystując pozostałe pozycje trzpienia/tarczy (różne otwory) jako korpusy frezów, a także tabelę parametryzacji, można łatwo obliczyć zakres współczynnika oporu. Wykresy są przedstawione w następujący sposób. Wykresy główna zaleta jest to, że użytkownik zna zakres, w którym może znajdować się rzeczywista krzywa, ale z wynikami uzyskanymi w czasie do 2 minut przetwarzania dla każdego modelu.
Na tym kończy się pierwsza część symulacji działania zaworu. W drugiej części dowiedzą się Państwo, jak konfigurować, rozwiązywać i uzyskiwać wyniki, aby dokładniej tworzyć te same wykresy w trybie dopracowywania. Pliki będą dostępne do pobrania.
