Расчет гидравлических характеристик запорно-обратного клапана с использованием расчетного пакета Ansys Fluent

О проекте

  • Расчет гидравлических характеристик запорно-обратного клапана с использованием расчетного пакета Ansys Fluent
  • НПФ «ЦКБА»
  • Строительство

Расчет гидравлических характеристик запорно-обратного клапана с использованием расчетного пакета Ansys Fluent

НПФ «Центральное конструкторское бюро арматуростроения» – ведущая арматуростроительная инжиниринговая компания, реализующая полный цикл работ от научных исследований, стандартизации, проектирования до комплектной поставки трубопроводной арматуры на объекты любой сложности, с обеспечением сервисного обслуживания на всем протяжении жизненного цикла оборудования. С 1945 года ЦКБА создано большое количество трубопроводной арматуры для различных отраслей: арматура для первой в СССР АЭС, первого атомного ледокола, энергетических установок атомных подводных лодок; для объектов добычи нефти и газа, горнообогатительных комбинатов и пр., для работы с высококоррозионными, взрывопожароопасными, токсичными средами.

По заказу НПФ «ЦКБА» в 2015 году специалисты компании «МЦД» выполнили расчет гидравлических характеристик клапана запорно-обратного КЗО DN200.

Для анализа гидравлических и гидродинамических характеристик клапана использовались современные инструменты численного моделирования: для подготовки геометрических моделей – Ansys Design Modeler; генерации сеток – Ansys Meshing; выполнения расчетов – Ansys Fluent; анализа результатов – CFD-Post.

Все этапы процесса моделирования играют важную роль для получения практически значимых результатов и предъявляют к соответствующим программным средствам требования наличия современного функционала, удобства использования, а также обеспечения гибкой и надежной работы. Этот комплекс характеристик реализован в вышеотмеченных программных модулях, разработчиком и интегратором которых является компания Ansys. Интеграция программных комплексов осуществляется в рамках специализированной платформы Ansys Workbench, которая позволяет удобно управлять всеми данными, относящимися к проекту, обеспечивать их автоматизированную передачу между модулями, осуществлять параметрические и оптимизационные исследования.

Клапан запорно-обратный относится к устройствам запорной арматуры. Рассматриваемый клапан имеет современную конструкцию со смещенной поворотной осью и предназначен для регулируемой подачи воздуха в одном направлении и запирания потока в случае его движения в противоположном направлении. Запирающим элементом клапана является диск, смонтированный на поворотном рычаге.

Внешний вид КЗО DN200. Конструкторская CAD-модель
Рис.1. Внешний вид КЗО DN200. Конструкторская CAD-модель

В данной работе были подготовлены две расчетные геометрические модели. В первой модели были сохранены только характерные особенности проточной части. Подвижные части были упрощены путем удаления скруглений, небольших перепадов и крепежных элементов конструкции. Этот вариант геометрической модели использовался для выполнения тестовых расчетов, а также для решения динамической задачи, где большие требования к ресурсам не позволяют сохранить высокий уровень детализации.

Вторая модель содержала минимальное количество упрощений. Она использовалась для проведения расчетов по определению коэффициентов гидравлического сопротивления и гидродинамических силовых факторов, которые оказывают воздействие на подвижные части арматуры.

Для получения данных о гидравлических характеристиках клапана и параметров силового воздействия со стороны потока была выполнена серия квазистационарных расчетов. Данный вид расчета предполагает решение задачи в стационарной постановке на некотором фиксированном угле открытия диска в режиме установившегося течения.

Как в расчетах, так и в эксперименте выполнялось измерение статического давления в двух контрольных сечениях, расположенных до клапана и за клапаном. Данные о перепаде давления, а также задаваемое (или измеряемое) значение скорости потока в трубопроводе позволили вычислить величину коэффициента гидравлического сопротивления.

Был построен график изменения коэффициента сопротивления при разных углах поворота диска. Наибольшие относительные расхождения в расчетных и экспериментальных значениях имели место при максимальных и минимальных углах открытия диска. В среднем, по характеристике гидравлического сопротивления, совпадение расчета и эксперимента можно считать удовлетворительным, соответствующим уровню погрешности в 5-10%.

10 градусов
20 градусов

Рисунок 2. Распределение абсолютной величины скорости (м/с) в центральном продольном сечении проточной части КЗО в диапазоне углов открытия диска от 10 до 20 градусов.

Линии тока, окрашенные по значениям абсолютной скорости потока (м/с) в проточной части КЗО, угол открытия - 60 градусов
Рисунок 3. Линии тока, окрашенные по значениям абсолютной скорости потока (м/с) в проточной части КЗО, угол открытия - 60 градусов

Было получено распределение абсолютной величины скорости воздушного потока в центральном продольном сечении для разных углов . Как показали результаты, положение диска оказывает существенное влияние на картину течения как в проточной части самого клапана, так и на расстоянии нескольких условных диаметров выше и ниже по потоку.

На основе рассчитанного поля скорости были смоделированы линии тока. По результатам моделирования стало видно, что на малых углах поворота диска отрывной характер течения является более выраженным, что проявляется в более интенсивной закрутке линий тока и образовании нескольких рециркуляционных зон в области, где происходит движение диска. С ростом угла поворота и приближении его к предельно максимальному значению, отрыв потока заметно уменьшается. При этом большая часть линий, проходя через клапан, остается невозмущенной, за исключением тех, которые проходят в непосредственной близости от диска.

По результатам расчета гидродинамических силовых факторов были получены сопутствующие геометрические характеристики силового воздействия: координаты точки приложения гидродинамической силы и угла отклонения гидродинамической силы.

Специалистами «МЦД» была построена кривая сопротивления клапана в зависимости от скоростного давления, определены гидродинамические силы и моменты, действующие на подвижные части, а также их коэффициенты. Таким образом ими был выполнен комплексный расчет гидравлических характеристик клапана запорно-обратного.

Есть подобная задача? Звони!

Позвоните нам

+7 (495) 644-06-08

Напишите нам

info@digitaltwin.ru

Часы работы

Пн-Пт 9:00 – 18:00

Другие проекты

Отправить сообщение

    Свяжитесь с нами

    Позвоните нам

    +7 (495) 644-06-08

    Напишите нам

    info@digitaltwin.ru

    Часы работы

    Пн-Пт 9:00 – 18:00