Scopra come utilizzare Ansys Discovery per valutare le prestazioni delle valvole, consentendo agli ingegneri di progettare prodotti migliori.
Capire le valvole
Le valvole sono dispositivi meccanici utilizzati per controllare il flusso dei fluidi (liquidi, gas o fanghi) nei processi industriali. Svolgono un ruolo cruciale nel controllo del flusso nei processi industriali, nella regolazione della pressione nelle tubazioni, nell’isolamento del sistema per la manutenzione, nella sicurezza e nella protezione dalla sovrapressione e nel controllo della direzione nei sistemi idraulici e pneumatici. I tipi e la classificazione sono presentati di seguito:
- Valvole a saracinesca (Controllo on/off, foro pieno)
- Valvole a globo (Regolazione del flusso)
- Valvole a sfera (Accensione e spegnimento rapidi, bassa perdita di pressione)
- Valvole a farfalla (Applicazioni di grande diametro)
- Valvole di ritegno (Prevenire il riflusso)
- Valvole di scarico della pressione (Proteggono dalla sovrapressione)
I componenti chiave della valvola sono cinque:
- Corpo. Struttura principale che contiene le parti interne e si collega alle tubazioni,
- Cofano. Coperchio che consente l’accesso alle parti interne.
- Sede. Superficie di tenuta all’interno del corpo della valvola contro cui si chiude il disco.
- Disco. Parte mobile che controlla il flusso premendo contro la sede.
- Stelo. Asta o albero che trasmette il movimento per aprire/chiudere la valvola.
Prestazioni
Poiché l’area di apertura è variabile, la perdita di attrito dipende dal flusso che attraversa la valvola. I test sperimentali hanno fornito diverse correlazioni tra flusso e resistenza al flusso, misurando la caduta di pressione (Δp) e il flusso (Q), nonché determinando la densità del fluido. (r) e l’accelerazione di gravità locale (g). Le correlazioni più importanti sono la caduta di pressione, il Coefficiente di Resistenza (z) e il coefficiente di flusso (Cv):
Dove SG è la Gravità Specifica pari a rg, e la velocità (V) si ottiene dall’equazione di continuità. I dati sono forniti utilizzando la designazione della dimensione standard della valvola, piuttosto che le sue dimensioni interne esatte. Questa pratica semplifica la selezione delle valvole e il confronto tra i diversi produttori, anche se non sempre riflette le prestazioni precise della valvola. Le prestazioni vengono poi presentate in tabelle o grafici come mostrato di seguito (valori fittizi):
Parte I: Simulazione in modalità Esplora
Le prestazioni delle valvole possono essere influenzate da diversi fattori e la simulazione offre soluzioni per superare queste sfide. Una delle sfide principali è la previsione accurata del comportamento della valvola in diverse condizioni operative. Simulando il flusso all’interno della valvola, gli ingegneri possono analizzare come ridurre al minimo le perdite di pressione modificando le aree di miglioramento e ottimizzando il design della valvola per un funzionamento efficiente e affidabile.
Per questo esempio, utilizziamo Ansys Discovery 2024R2. Ansys Discovery è uno strumento completo che offre un’area di lavoro coinvolgente e interattiva per la modellazione, l’esplorazione del progetto di simulazione e l’analisi della soluzione. Permette di creare e modificare la geometria utilizzando la tecnologia di modellazione diretta, definire le simulazioni e interagire con i risultati in tempo reale.
Descrizione
Il dominio consiste in una valvola a saracinesca mostrata nella prima immagine qui sopra. Le simulazioni saranno risolte prima in modalità Esplora (Parte I) e poi in modalità Raffina (Parte II). I grafici della caduta di pressione rispetto alla portata e del coefficiente di resistenza rispetto all’apertura sono costruiti utilizzando i dati trovati per quattro posizioni della valvola, quattro portate e la dimensione della valvola di D= 51 mm (2 in).
- Ingresso: le quattro velocità sono 0.5, 1.5, 2.5, 3.5 m/s.
- Uscita: Pressione statica zero in Pa.
- Fluido di lavoro: Acqua a 20°C (68 F).
- Temperatura: Le simulazioni sono isotermiche alla temperatura indicata.
Passi
- Preparazione della geometria
Raggruppi i componenti nell’albero creando diversi componenti (cartelle). Qui ce n’è una per l’alloggiamento, gli steli/dischi in diverse posizioni di apertura e le connessioni. Per le posizioni di apertura, a seconda della geometria, ci sarà una distanza totale per chiudere la valvola. In questo caso, l’apertura minima è stata definita al 10,4% per consentire al flusso di attraversare la valvola.
- Dominio del fluido
Disabiliti e nasconda i componenti come mostrato di seguito. Vada alla scheda ‘Prepara’ > ‘Estrazione di volume’. Segua i passaggi: 1) selezionare le facce che racchiudono la regione, 2) selezionare una faccia che si trova all’interno del volume e, 3) cliccare su Completa. L’immagine a destra mostra la vista in sezione. Questo è il dominio fluido che sarà tagliato dalle diverse posizioni di stelo/disco. Ho rinominato il volume come FluidDomain11.
- Impostazione del modello
Ora passi alla modalità Esplora. Vada alla scheda ‘Simulazione’ > ‘Flusso del fluido’ > Flusso. Selezioni ‘Ingresso’ e la porta destra, inserisca la velocità di ingresso come 0,5 m/s e modifichi la temperatura a 20°C. Ripetere il processo, ma questa volta selezionare ‘Uscita’ e la porta sinistra. Digiti la pressione e la temperatura. Segua la procedura.
Sull’albero sono visibili due materiali: Acciaio strutturale S275N per i solidi (per impostazione predefinita) e un fluido. Fare doppio clic e verificare che sia selezionato Liquido. Ho modificato la densità e la viscosità predefinite in modo che fossero in accordo con i valori a 20°C. Le proprietà termiche hanno valori per 23°C in quanto non sono utilizzate qui, ma se è il caso, le modifichi di conseguenza. Inoltre, cambi la temperatura iniziale a 20°C e attivi la gravità.
Dobbiamo tagliare il dominio del fluido con la posizione iniziale dello stelo/disco da simulare. Questo si ottiene utilizzando lo strumento “Corpi di taglio”: 1) clicchi con il tasto destro del mouse sul dominio del fluido > ‘Corpi sovrapposti’ > ‘Imposta come corpi di taglio’ (questo permette ai corpi solidi selezionati sull’albero di tagliare il dominio del fluido durante la simulazione), 2) clicchi con il tasto destro del mouse sui corpi/componenti per rimuoverli come corpi di taglio 3) eccetto la posizione dello stelo/disco ‘Pos 4 (100%)’, poiché è l’unico corpo che taglierà il dominio del fluido.
Per facilitare l’esecuzione delle simulazioni, possiamo anche parametrizzare l’ingresso con le quattro velocità che abbiamo stabilito all’inizio: 1) cliccare su ‘Ingresso flusso 1’ situato nell’albero e selezionare il pulsante Parametrizzazione, 2) aprire la tabella di parametrizzazione, 3) digitare i valori di velocità, 4) cliccare sul pulsante mostrato e infine, 5) aggiornare tutti i punti di progettazione. Può fare qualcos’altro mentre Discovery risolve tutte le simulazioni.
- Soluzione
Per ogni modello vedrà i risultati di Velocità, Pressione statica, Pressione totale, Temperatura e Vortici Lambda 2 in diversi sistemi di unità. In questa dimostrazione, controlleremo i primi due. L’immagine seguente presenta il ‘Campo di direzione’ allineato con il piano meridiano. Per ottenere questa visualizzazione, vada all”Arco dei risultati’ nella parte inferiore destra dello schermo e selezioni la prima icona.
Nella modalità Esplora, la precisione dei risultati e il tempo di simulazione dipendono dalla Fedeltà. Quindi, i risultati sulla Tabella di Parametrizzazione mostrano quattro serie di valori per la stessa Fedeltà. In questa dimostrazione, ho lavorato con tre valori di Fedeltà per confrontare i risultati, che sono presentati nella Tabella 1. L’immagine successiva mostra l’ultima serie di risultati di Discovery e i risultati generali. L’immagine precedente si riferisce ai 3,5 m/s del set #1.
Ora è possibile costruire la curva ‘Perdita di pressione vs. portata’ dalla Tabella 1. Ci sono due linee che collegano i punti minimi e massimi per ogni velocità di ingresso. Se ripete la stessa procedura di simulazione utilizzando le altre posizioni dello stelo/disco (aperture diverse) come corpi di taglio, oltre alla tabella di parametrizzazione, può calcolare facilmente l’intervallo del coefficiente di resistenza. I grafici sono presentati come segue. Il vantaggio principale è che l’utente conosce l’intervallo in cui può trovarsi la curva effettiva, ma con risultati ottenuti in un tempo di elaborazione fino a 2 minuti per ogni modello.
Questo conclude la prima parte della simulazione delle prestazioni delle valvole. Nella seconda parte, imparerà come impostare, risolvere e ottenere risultati per costruire gli stessi grafici in modo più accurato nella modalità Refine. I file saranno disponibili per il download.
