Simulation

CFD Simülasyonu Kullanılarak Valf Performans Analizi: Bölüm 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.

Mühendislerin daha iyi ürünler tasarlamasına olanak tanıyan vana performansını değerlendirmek için Ansys Discovery’yi nasıl kullanacağınızı öğrenin.

Vanaları Anlamak

Vanalar, endüstriyel proseslerde sıvıların (sıvılar, gazlar veya bulamaçlar) akışını kontrol etmek için kullanılan mekanik cihazlardır. Endüstriyel proseslerde akış kontrolünde, boru hatlarında basınç regülasyonunda, bakım için sistem izolasyonunda, güvenlik ve aşırı basınç korumasında ve hidrolik ve pnömatik sistemlerde yön kontrolünde çok önemli bir rol oynarlar. Türler ve Sınıflandırma aşağıdaki gibi sunulmuştur:

Sürgülü Vanalar (Açma/kapama kontrolü, tam delik)
Glob Vanalar (Akış düzenlemesi)
Küresel Vanalar (Hızlı açma/kapama, düşük basınç düşüşü)
Kelebek Vanalar (Büyük çaplı uygulamalar)
Çek Valfler (Geri akışı önleyin)
Basınç Tahliye Valfleri (Aşırı basınca karşı koruma)

Temel Valf Bileşenleri beş tanedir:

Vücut. İç parçaları içeren ve boru tesisatına bağlanan ana yapı,
Bone. İç parçalara erişim sağlayan kapak.
Yuva. Vana gövdesi içinde diskin kapandığı sızdırmazlık yüzeyi.
Disk. Koltuğa bastırarak akışı kontrol eden hareketli parça.
Gövde. Vanayı açmak/kapatmak için hareket ileten çubuk veya mil.

Performans

Açılma alanı değişken olduğundan, sürtünme kaybı vanadan geçen akışa bağlıdır. Deneysel testler, basınç düşüşünü (Δp) ve akışı (Q) ölçmenin yanı sıra akışkan yoğunluğunu belirleyerek akış ve akış direnci arasında farklı korelasyonlar sağlamıştır (r) ve yerel yerçekimi ivmesi (g). En önemli korelasyonlar Basınç düşüşü, Direnç Katsayısı (z) ve Akış Katsayısı (Cv):

Burada SG, aşağıdakilere eşit olan Özgül Ağırlıktır rg, ve hız (V) süreklilik denkleminden elde edilir. Veriler, tam iç boyutları yerine vananın standart boyut tanımı kullanılarak sağlanmıştır. Bu uygulama vana seçimini ve farklı üreticiler arasında karşılaştırmayı kolaylaştırır, ancak her zaman vananın kesin performansını yansıtmayabilir. Performans daha sonra aşağıda gösterildiği gibi tablolar veya grafikler halinde sunulur (kukla değerler):

Bölüm I: Keşif Modunda Simülasyon

Vana performansı çeşitli faktörlerden etkilenebilir ve simülasyon bu zorlukların üstesinden gelmek için çözümler sunar. Başlıca zorluklardan biri, farklı çalışma koşulları altında vana davranışını doğru bir şekilde tahmin etmektir. Mühendisler, vana içindeki akışı simüle ederek, iyileştirme alanlarını değiştirerek ve verimli ve güvenilir çalışma için vana tasarımını optimize ederek basınç düşüşlerinin nasıl en aza indirilebileceğini analiz edebilirler.

Bu örnek için Ansys Discovery 2024R2 kullanıyoruz. Ansys Discovery, modelleme, simülasyon tasarımı keşfi ve çözüm analizi için sürükleyici ve etkileşimli bir çalışma alanı sağlayan kapsamlı bir araçtır. Doğrudan modelleme teknolojisini kullanarak geometri oluşturmanıza ve değiştirmenize, simülasyonları tanımlamanıza ve sonuçlarla gerçek zamanlı olarak etkileşim kurmanıza olanak tanır.

Açıklama

Etki alanı, yukarıdaki ilk resimde gösterilen bir sürgülü vanadan oluşmaktadır. Simülasyonlar önce Keşfet modunda (Bölüm I) ve daha sonra İyileştirme Modunda (Bölüm II) çözülecektir. Basınç düşüşü – Akış hızı ve Direnç Katsayısı – Açıklık grafikleri dört vana konumu, dört akış hızı ve D= 51 mm (2 inç) vana boyutu için bulunan veriler kullanılarak oluşturulmuştur.

Giriş: Dört hız 0,5, 1,5, 2,5, 3,5 m/s’dir.
Çıkış: Pa cinsinden sıfır statik basınç.
Çalışma sıvısı: 20°C’de (68 F) su.
Sıcaklık: Simülasyonlar verilen sıcaklıkta izotermaldir.

Adımlar

Geometri hazırlığı
Farklı bileşenler (klasörler) oluşturarak ağaçtaki bileşenleri gruplandırın. Burada, gövde, farklı açılma konumlarındaki mil/diskler ve bağlantılar için birer tane vardır. Açılma konumları için, geometrinize bağlı olarak, vanayı kapatmak için toplam bir mesafe olacaktır. Bu durumda, akışın vanadan geçmesine izin vermek için minimum açıklık %10,4 olarak tanımlanmıştır.

Akışkan Etki Alanı
Aşağıda gösterildiği gibi bileşenleri devre dışı bırakın ve gizleyin. ‘Hazırla’ Sekmesine > ‘Birim Ayıkla’ya gidin. Adımları takip edin: 1) bölgeyi çevreleyen yüzleri seçin, 2) hacim içinde kalan bir yüz seçin ve 3) Tamamla’ya tıklayın. Sağdaki resim kesit görünümünü göstermektedir. Bu, farklı gövde/disk konumları tarafından kesilecek olan Akışkan Alanıdır. Birimi FluidDomain11 olarak yeniden adlandırdım.
Model Kurulumu
Şimdi Keşfet Moduna geçin. ‘Simülasyon’ Sekmesi > ‘Akışkan Akışı’ > Akış’a gidin. ‘Giriş’ ve sağ portu seçin, giriş hızını 0,5 m/s olarak yazın ve sıcaklığı 20°C olarak değiştirin. İşlemi tekrarlayın ancak bu sefer ‘Çıkış’ ve sol portu seçin. Basınç ve sıcaklığı yazın. Prosedürü takip edin.
Ağaç üzerinde iki malzeme görülebilir: Katı maddeler için Yapısal Çelik S275N (Varsayılan olarak) ve bir sıvı. Çift tıklayın ve Sıvı’nın seçili olduğunu doğrulayın. Varsayılan yoğunluk ve viskoziteyi 20°C’deki değerlerle uyumlu olacak şekilde değiştirdim. Termal özellikler burada kullanılmadığı için 23°C değerlerine sahiptir, ancak durum buysa, bunları uygun şekilde değiştirin. Ayrıca, başlangıç sıcaklığını 20°C olarak değiştirin ve yerçekimini etkinleştirin.

Yapmamız gereken akışkan alanını simüle edilecek ilk gövde/disk konumuna göre keser. Bu, “Kesme Gövdeleri” adlı araç kullanılarak gerçekleştirilir: 1) Akışkan alanına sağ tıklayın > ‘Örtüşen Gövdeler’ > ‘Kesici gövde olarak ayarla’ (bu, ağaçtaki seçili katı gövdelerin simülasyon sırasında akışkan alanını kesmesine izin verir), 2) kesici gövde olarak kaldırmak için gövdelere/bileşenlere sağ tıklayın 3) akışkan alanını kesecek tek gövde olduğu için gövde/disk konumu ‘Pos 4 (%100)’ hariç.

Simülasyonların çalıştırılmasını kolaylaştırmak için, girişi baştan belirlediğimiz dört hız ile parametrelendirebiliriz: 1) ağaçta bulunan ‘Flow Inlet 1’ üzerine tıklayın ve Parametrelendirme düğmesini seçin, 2) parametrelendirme tablosunu açın, 3) hız değerlerini yazın, 4) gösterilen düğmeye tıklayın ve son olarak, 5) tüm tasarım noktalarını güncelleyin. Discovery tüm simülasyonları çözerken siz başka bir şey yapabilirsiniz.
Çözüm
Her model için farklı birim sistemlerinde Hız, Statik basınç, Toplam basınç, sıcaklık ve Girdap Lambda 2 sonuçlarını göreceksiniz. Bu Demoda, bunlardan ilk ikisini kontrol edeceğiz. Aşağıdaki resim meridyonel düzlem ile hizalanmış ‘Yön Alanını’ göstermektedir. Bu görselleştirmeyi elde etmek için ekranın sağ alt kısmındaki ‘Sonuç Yayına’ gidin ve ilk simgeyi seçin.
Keşif Modunda, sonuçların doğruluğu ve simülasyon süresi Aslına Uygunluk değerine bağlıdır. Ardından, Parametrizasyon Tablosundaki sonuçlar aynı Sadakat için dört değer kümesini gösterir. Bu Demoda, Tablo 1’de sunulan sonuçları karşılaştırmak için üç Fidelity değeri ile çalıştım. Bir sonraki resim Discovery’den alınan son sonuç setini ve genel sonuçları göstermektedir. Yukarıdaki resim set #1’in 3,5 m/s’si içindir.
Şimdi Tablo 1’den ‘Basınç Düşüşüne Karşı Debi’ eğrisini oluşturabilirsiniz. Her bir giriş hızı için minimum ve maksimum noktaları birleştiren iki çizgi vardır. Aynı simülasyon prosedürünü diğer mil/disk pozisyonlarını (farklı açıklıklar) kesici gövdeler olarak ve parametrelendirme tablosunu kullanarak tekrarlarsanız, Direnç Katsayısı aralığını kolayca hesaplayabilirsiniz. Grafikler aşağıdaki gibi sunulmuştur. Bu ana avantaj kullanıcının gerçek eğrinin hangi aralıkta olabileceğini bilmesidir, ancak sonuçlar her model için 2 dakikaya kadar işlem süresinde elde edilir.
Bu, valf performansı simülasyonunun ilk bölümünü tamamlamaktadır. İkinci bölümde, Rafine Modunda aynı grafikleri daha doğru bir şekilde oluşturmak için nasıl kurulum yapacağınızı, çözeceğinizi ve sonuçları nasıl alacağınızı öğreneceksiniz. Dosyalar indirilebilir durumda olacaktır.