Simulation

Анализ производительности клапана с использованием CFD-моделирования: Часть 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.

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:

Тело. Основная конструкция, содержащая внутренние детали и соединяющаяся с трубопроводами.
Капот. Крышка, обеспечивающая доступ к внутренним частям.
Сиденье. Уплотняющая поверхность внутри корпуса клапана, к которой прилегает диск.
Диск. Подвижная часть, которая контролирует поток, прижимаясь к седлу.
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.