Análise do desempenho da válvula usando simulação CFD: Parte I

Saiba como usar o Ansys Discovery para avaliar o desempenho da válvula, permitindo que os engenheiros projetem produtos melhores.

Entendendo as Válvulas

As válvulas são dispositivos mecânicos usados para controlar o fluxo de fluidos (líquidos, gases ou lamas) em processos industriais. Elas desempenham um papel fundamental no controle de fluxo em processos industriais, na regulação da pressão em tubulações, no isolamento do sistema para manutenção, na segurança e na proteção contra sobrepressão e no controle de direção em sistemas hidráulicos e pneumáticos. Os tipos e a classificação são apresentados a seguir:

• Válvulas de gaveta (Controle liga/desliga, diâmetro total)
• Válvulas Globo (Regulagem de fluxo)
• Válvulas de esfera (Rápida ativação/desativação, baixa queda de pressão)
• Válvulas borboleta (Aplicações de grande diâmetro)
• Válvulas de retenção (Evitar refluxo)
• Válvulas de alívio de pressão (Proteção contra sobrepressão)

Os principais componentes da válvula são cinco:

1. Corpo. Estrutura principal que contém as partes internas e se conecta à tubulação,
2. Castelo. Tampa que dá acesso às peças internas.
3. Sede. Superfície de vedação dentro do corpo da válvula contra a qual o disco se fecha.
4. Disco. Parte móvel que controla o fluxo pressionando contra a sede.
5. Haste. Haste ou eixo que transmite o movimento para abrir/fechar a válvula.

Desempenho

Como a área de abertura é variável, a perda por atrito depende do fluxo que passa pela válvula. Testes experimentais forneceram diferentes correlações entre o fluxo e a resistência ao fluxo, medindo a queda de pressão (Δp) e o fluxo (Q), bem como determinando a densidade do fluido (r) e a aceleração local da gravidade (g). As correlações mais importantes são a Queda de pressão, o Coeficiente de resistência (z) e o Coeficiente de Fluxo (Cv):

Onde SG é a gravidade específica igual a rg, e a velocidade (V) é obtido a partir da equação de continuidade. Os dados são fornecidos usando a designação de tamanho padrão da válvula, em vez de suas dimensões internas exatas. Essa prática simplifica a seleção e a comparação de válvulas de diferentes fabricantes, embora nem sempre reflita o desempenho exato da válvula. O desempenho é então apresentado em tabelas ou gráficos, conforme mostrado abaixo (valores fictícios):

Parte I: Simulação no modo Explore

O desempenho da válvula pode ser influenciado por vários fatores, e a simulação oferece soluções para superar esses desafios. Um dos principais desafios é prever com precisão o comportamento da válvula em diferentes condições de operação. Ao simular o fluxo dentro da válvula, os engenheiros podem analisar como as quedas de pressão podem ser minimizadas alterando as áreas de melhoria e otimizando o projeto da válvula para uma operação eficiente e confiável.

Para este exemplo, usamos o Ansys Discovery 2024R2. O Ansys Discovery é uma ferramenta abrangente que oferece um espaço de trabalho imersivo e interativo para modelagem, exploração de projetos de simulação e análise de soluções. Ele permite que o senhor crie e modifique a geometria usando a tecnologia de modelagem direta, defina simulações e interaja com os resultados em tempo real.

Descrição

O domínio consiste em uma válvula de gaveta mostrada na primeira imagem acima. As simulações serão resolvidas primeiro no modo Explore (Parte I) e depois no modo Refine (Parte II). Os gráficos de Queda de pressão vs. Taxa de fluxo e Coeficiente de resistência vs. Abertura são construídos usando dados encontrados para quatro posições de válvula, quatro taxas de fluxo e o tamanho da válvula de D= 51 mm (2 pol.).

• Entrada: as quatro velocidades são 0,5, 1,5, 2,5 e 3,5 m/s.
• Saída: Pressão estática zero em Pa.
• Fluido de trabalho: Água a 20°C (68 F).
• Temperatura: As simulações são isotérmicas na temperatura determinada.

Etapas

• Preparação da geometria
  Agrupe os componentes na árvore criando diferentes componentes (pastas). Aqui, há uma para o alojamento, a haste/discos em diferentes posições de abertura e as conexões. Para as posições de abertura, dependendo de sua geometria, haverá uma distância total para fechar a válvula. Nesse caso, a abertura mínima foi definida como 10,4% para permitir que o fluxo passe pela válvula.

  

• Domínio do fluido
  Desative e oculte os componentes conforme mostrado abaixo. Vá para a guia ‘Prepare’ > ‘Volume Extract’. Siga as etapas: 1) selecione as faces que delimitam a região, 2) selecione uma face que esteja dentro do volume e, 3) clique em Complete. A figura à direita mostra a visualização da seção. Esse é o domínio do fluido que será cortado pelas diferentes posições da haste/disco. Renomeei o volume como FluidDomain11.
• Configuração do modelo
  Agora, mude para o modo Explore. Vá para a guia “Simulation” e selecione “Fluid Flow” e “Flow”. Selecione “Inlet” (Entrada) e a porta direita, digite a velocidade de entrada como 0,5 m/s e altere a temperatura para 20°C. Repita o processo, mas desta vez selecione “Outlet” (saída) e a porta esquerda. Digite a pressão e a temperatura. Siga o procedimento.

  Dois materiais podem ser vistos na árvore: Structural Steel S275N para os sólidos (por padrão) e um fluido. Clique duas vezes e verifique se Liquid está selecionado. Alterei a densidade e a viscosidade padrão para que estivessem de acordo com os valores a 20°C. As propriedades térmicas têm valores para 23°C, pois não são usadas aqui, mas se esse for o caso, altere-as de acordo. Além disso, altere a temperatura inicial para 20°C e ative a gravidade.

  

  Precisamos cortar o domínio do fluido pela posição inicial da haste/disco a ser simulada. Isso é feito por meio da ferramenta denominada “Cutting Bodies” (Corpos de corte): 1) Clique com o botão direito do mouse no domínio do fluido > ‘Overlapping Bodies’ > ‘Set to be cutter bodies’ (isso permite que os corpos sólidos selecionados na árvore cortem o domínio do fluido durante a simulação), 2) clique com o botão direito do mouse nos corpos/componentes para removê-los como corpos de corte 3) exceto a posição da haste/disco ‘Pos 4 (100%)’, pois é o único corpo que cortará o domínio do fluido.

  
  
  Para facilitar a execução das simulações, também podemos parametrizar a entrada com as quatro velocidades que estabelecemos desde o início: 1) clique em ‘Flow Inlet 1’ localizado na árvore e selecione o botão Parametrization (Parametrização), 2) abra a tabela de parametrização, 3) digite os valores de velocidade, 4) clique no botão mostrado e, por fim, 5) atualize todos os pontos de projeto. O senhor pode fazer outra coisa enquanto o Discovery resolve todas as simulações.

  
  

• Solução
  Para cada modelo, o senhor verá os resultados de Velocidade, Pressão estática, Pressão total, Temperatura e Vórtices Lambda 2 em diferentes sistemas de unidades. Nesta demonstração, verificaremos os dois primeiros. A figura a seguir apresenta o “Direction Field” alinhado com o plano meridional. Para obter essa visualização, vá até o “Results Arc” (Arco de resultados) na parte inferior direita da tela e selecione o primeiro ícone.

  No modo Explore, a precisão dos resultados e o tempo de simulação dependem da fidelidade. Então, os resultados na Tabela de Parametrização mostram quatro conjuntos de valores para a mesma Fidelidade. Nesta demonstração, trabalhei com três valores de fidelidade para comparar os resultados, que são apresentados na Tabela 1. A próxima imagem mostra o último conjunto de resultados do Discovery e os resultados gerais. A imagem acima é para os 3,5 m/s do conjunto nº 1.

  

  Agora o senhor pode construir a curva “Queda de pressão vs. taxa de fluxo” a partir da Tabela 1. Há duas linhas que conectam os pontos mínimo e máximo para cada velocidade de entrada. Se o senhor repetir o mesmo procedimento de simulação usando o restante das posições da haste/disco (diferentes aberturas) como corpos de corte, bem como a tabela de parametrização, poderá calcular facilmente a faixa do Coeficiente de Resistência. Os gráficos são apresentados a seguir. O principal vantagem é que o usuário conhece o intervalo em que a curva real pode estar, mas com resultados obtidos em até 2 minutos de tempo de processamento para cada modelo.

  

  Isso conclui a primeira parte da simulação do desempenho da válvula. Na segunda parte, o senhor aprenderá a configurar, resolver e obter resultados para construir os mesmos gráficos com mais precisão no Refine Mode. Os arquivos estarão disponíveis para download.