Simulation

Analiza wydajności zaworu przy użyciu symulacji CFD: Część I

Join the forum for Designers!

Your expertise is vital to the community. Join us and contribute your knowledge!

Share, learn and grow with the best professionals in the industry.

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.