Анализ производительности клапана с использованием CFD-моделирования: Часть I

Узнайте, как использовать Ansys Discovery для оценки характеристик клапанов, что позволяет инженерам разрабатывать более совершенные продукты.

Понимание клапанов

Клапаны — это механические устройства, используемые для регулирования потока жидкостей (жидкостей, газов или суспензий) в промышленных процессах. Они играют решающую роль в регулировании потока в промышленных процессах, регулировании давления в трубопроводах, изоляции систем для технического обслуживания, безопасности и защите от избыточного давления, а также управлении направлением в гидравлических и пневматических системах. Виды и классификация представлены следующим образом:

  • Задвижки (Контроль включения/выключения, полнопроходной)
  • Шаровые клапаны (Регулирование потока)
  • Шаровые краны (Быстрое включение/выключение, низкое падение давления)
  • Поворотные заслонки (Применение большого диаметра)
  • Обратные клапаны (Предотвращение обратного потока)
  • Клапаны сброса давления (Защищайте от избыточного давления)

Ключевых компонентов клапана пять:

  1. Тело. Основная конструкция, содержащая внутренние детали и соединяющаяся с трубопроводами.
  2. Капот. Крышка, обеспечивающая доступ к внутренним частям.
  3. Сиденье. Уплотняющая поверхность внутри корпуса клапана, к которой прилегает диск.
  4. Диск. Подвижная часть, которая контролирует поток, прижимаясь к седлу.
  5. Корень. Стержень или вал, передающий движение для открытия/закрытия клапана.

Производительность

Поскольку площадь отверстия является переменной, потери на трение зависят от потока, проходящего через клапан. Экспериментальные испытания выявили различные корреляции между потоком и гидравлическим сопротивлением путем измерения перепада давления (Δp) и расхода (Q), а также путем определения плотности жидкости. (р) и местное ускорение силы тяжести (г). Наиболее важными корреляциями являются падение давления, коэффициент сопротивления. (з) и коэффициент расхода (Cv):

Где SG – удельный вес, равный рg, а скорость (В) получается из уравнения неразрывности. Данные предоставляются с использованием обозначения стандартного размера клапана, а не его точных внутренних размеров. Такая практика упрощает выбор и сравнение клапанов разных производителей, хотя она не всегда может отражать точные характеристики клапана. Затем производительность представляется в таблицах или графиках, как показано ниже (фиктивные значения):

Часть I. Моделирование в режиме исследования

На производительность клапана могут влиять различные факторы, и моделирование предлагает решения для преодоления этих проблем. Одной из основных задач является точное прогнозирование поведения клапана в различных условиях эксплуатации. Моделируя поток внутри клапана, инженеры могут проанализировать, как можно минимизировать падение давления, изменяя области улучшения и оптимизируя конструкцию клапана для эффективной и надежной работы.

В этом примере мы используем Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery — это комплексный инструмент, который обеспечивает захватывающее интерактивное рабочее пространство для моделирования, исследования симуляционных проектов и анализа решений. Он позволяет создавать и изменять геометрию с помощью технологии прямого моделирования, определять модели и взаимодействовать с результатами в режиме реального времени.

Описание

Домен состоит из задвижки, показанной на первом изображении выше. Моделирование будет решаться сначала в режиме исследования (часть I), а затем в режиме уточнения (часть II). Графики падения давления в зависимости от расхода и коэффициента сопротивления в зависимости от открытия построены с использованием данных, полученных для четырех положений клапана, четырех скоростей потока и размера клапана D = 51 мм (2 дюйма).

  • Вход: четыре скорости: 0,5, 1,5, 2,5, 3,5 м/с.
  • Выход: нулевое статическое давление в Па.
  • Рабочая жидкость: вода 20°C (68 F).
  • Температура: моделирование является изотермическим при данной температуре.

Шаги

  • Подготовка геометрии
    Группируйте компоненты в дереве, создавая разные компоненты (папки). Здесь имеется один для корпуса, штока/дисков в разных положениях открытия и соединений. Для положений открытия, в зависимости от вашей геометрии, будет общее расстояние для закрытия клапана. В этом случае минимальное открытие было определено как 10,4%, чтобы позволить потоку проходить через клапан.

  • Жидкий домен
    Отключите и скройте компоненты, как показано ниже. Перейдите на вкладку «Подготовка» > «Извлечение тома». Выполните следующие действия: 1) выберите грани, охватывающие область, 2) выберите грань, которая находится внутри объема, и 3) нажмите «Завершить». На рисунке справа показан вид в разрезе. Это область жидкости, которая будет пересекаться при различных положениях штока/диска. Я переименовал том в FluidDomain11.
  • Настройка модели
    Теперь переключитесь в режим исследования. Перейдите на вкладку «Моделирование» > «Поток жидкости» > «Поток». Выберите «Вход» и правильный порт, введите скорость на входе 0,5 м/с и измените температуру на 20°C. Повторите процесс, но на этот раз выберите «Выход» и левый порт. Введите давление и температуру. Следуйте процедуре.

    На дереве можно увидеть два материала: конструкционная сталь S275N для твердых тел (по умолчанию) и жидкости. Дважды щелкните и убедитесь, что выбрана жидкость. Я изменил плотность и вязкость по умолчанию, чтобы они соответствовали значениям при 20°C. Термические свойства имеют значения для 23°C, поскольку они здесь не используются, но в этом случае измените их соответствующим образом. Кроме того, измените начальную температуру на 20°C и включите гравитацию.

    Мы должны разрежьте область жидкости по начальному положению штока/диска, которое необходимо смоделировать. Это достигается с помощью инструмента под названием «Режущие тела»: 1) Щелкните правой кнопкой мыши область жидкости > «Перекрывающиеся тела» > «Установить в качестве тел-режущих» (это позволяет выбранным твердым телам на дереве разрезать область жидкости во время симуляции), 2) щелкните правой кнопкой мыши по телам/компонентам, чтобы удалить их как тела фрезы 3) за исключением положения штока/диска «Поз. 4 (100%)», поскольку это единственное тело, которое будет резать область жидкости.



    Чтобы упростить моделирование, мы также можем параметризовать входное отверстие с помощью четырех скоростей, которые мы установили с самого начала: 1) щелкните «Flow Inlet 1», расположенный в дереве, и выберите кнопку «Параметризация», 2) откройте таблицу параметризации, 3) введите значения скорости, 4) нажмите показанную кнопку и, наконец, 5) обновите все проектные точки. Вы можете заняться чем-нибудь другим, пока Discovery решает все симуляции.


  • Решение
    Для каждой модели вы увидите результаты скорости, статического давления, общего давления, температуры и вихрей Lambda 2 в разных системах единиц. В этой демонстрации мы проверим первые два из них. На следующем рисунке показано «Поле направлений», выровненное по меридиональной плоскости. Чтобы получить эту визуализацию, перейдите в «Дугу результатов» в правом нижнем углу экрана и выберите первый значок.

    В режиме исследования точность результатов и время моделирования зависят от точности. Затем результаты в таблице параметризации показывают четыре набора значений для одной и той же точности. В этой демонстрации я работал с тремя значениями Fidelity, чтобы сравнить результаты, представленные в таблице 1. На следующем рисунке показан последний набор результатов Discovery и общие результаты. На изображении выше показана скорость 3,5 м/с комплекта №1.

    Теперь вы можете построить кривую «Падение давления в зависимости от расхода» на основе Таблицы 1. Есть две линии, которые соединяют минимальную и максимальную точки для каждой скорости на входе. Если вы повторите ту же процедуру моделирования, используя остальные положения штока/диска (различные отверстия) в качестве тел фрез, а также таблицу параметризации, вы можете легко рассчитать диапазон коэффициента сопротивления. Графики представлены следующим образом. главное преимущество заключается в том, что пользователь знает диапазон, в котором может находиться фактическая кривая, но результаты получаются за 2 минуты обработки для каждой модели.

    На этом завершается первая часть моделирования работы клапана. Во второй части вы научитесь настраивать, решать и получать результаты для более точного построения тех же графиков в Режиме уточнения. Файлы будут доступны для скачивания.