Przygotowanie
Analiza zaworu zwrotnego tego typu wymaga zastosowania środowiska obliczeniowego, które może odwzorować zarówno ruch medium, jak i komponentów mechanizmu sterującego przepływem. XFlow posiada takie możliwości, dając użytkownikowi dostęp do symulacji szerokiego spektrum zjawisk uwzględniających dynamiczną interakcję konstrukcji z przepływem.
W tym artykule zaprezentuję proces doboru charakterystyki tłumienia mechanizmu kulowego zaworu zwrotnego. Analizowana będzie bardzo prosta geometria składająca się z korpusu zaworu oraz kuli poruszającej się wzdłuż jego osi. Geometria wewnętrzna zaworu jest tak ukształtowana, aby kula zamykała światło przepływu, opierając się na stożkowej ściance pod wpływem nacisku sprężyny, której geometria nie będzie brana pod uwagę.
W przypadku dostatecznego naporu płynu kulka zostaje przesunięta w głąb zaworu ściskając sprężynę. Ostateczne położenie kulki będzie wynikało z równowagi sił: hydrodynamicznego oddziaływania medium na kulkę oraz siły w sprężynie.
W symulacji został zastosowany warunek wpływu wody, określony przez funkcję masowego natężenia przepływu w funkcji czasu, reprezentując sytuację, w której do t=0,3 s występuje przepływ o wartości 0,3 kg/s, a następnie jest całkowicie wyłączany. Pozwala to nam zaobserwować zarówno odpowiedź mechanizmu na pojawienie oraz ustanie przepływu.
Początkowo kulka opiera się o ścianę, blokując przepływ zupełnie. Jak przekonamy się, istotnym czynnikiem stabilności działania takiego zaworu jest odpowiednio dobrana wartość tłumienia w układzie. Przykładowy proces jej doboru będzie przeprowadzony w czterech etapach. Jedyną zmienną będzie wartość współczynnika tłumienia.
Sztywność sprężyny wynosiła 150 N/m. Początkowo środek kuli znajdował się 14 mm od początku układu współrzędnych domeny. Masa kulki wynosi ok. 24 gramy. Aby odwzorować jej ruch i interakcję z przepływem została zdefiniowana jako obiekt typu „Rigid body dynamics”. Jej ruch został ograniczony do samej translacji w osi zaworu.
Program daje również możliwość zadania współczynników tarcia oraz współczynnika restytucji.
Równanie opisujące ruch kuli ze względu na działanie sprężyny ma postać:
Gdzie:
Równanie opisujące siłę wywieraną przez sprężynę ma postać:
Gdzie:
– położenie [m] – czyli px
– położenie początkowe
– współczynnik tłumienia [-]
– sztywność sprężyny [N/m]
– masa [kg]
– człon składowej siły zależnej od prędkości vx
Ruch kulki i jej interakcja z przepływem została zbadana dla czterech wartości ξ wynoszących 0; 0,5; 1 i 6. Dyskretyzacja domeny obliczeniowej została zobrazowana na przekroju w osi zaworu. Do wstępnych obliczeń taka rozdzielczość jest zupełnie wystarczająca.
Wyniki
Aby porównać zachowanie się konstrukcji zaworu dla czterech wartości tłumienia (0; 0,5; 1 i 6) zostały zebrane dane położenia środka ciężkości kulki oraz przepływu masowego wody na wylocie z zaworu w funkcji czasu. Są widoczne na poniższych wykresach. Przy całkowitym braku tłumienia kulka doznaje wysokich oscylacji i nie zajmuje stabilnego położenia. Skutkuje to również niestabilnym przepływem. Zwiększanie tłumienia prowadzi o ustabilizownia położenia kulki oraz efektywnego przepływu przez zawór w stanie otwartym. Dokładny dobór tłumienia sprowadza się do wyboru wartości gwarantującej dość szybkie wygaszenie oscylacji przy jednoczesnym zachowaniu dobrej dynamiki mechanizmu. Jak widać, zbyt wysokie tłumienie prowadzi do wydłużenia czasu potrzebnego do całkowitego zamknięcia zaworu po ustaniu przepływu.
Poniżej znajduje się również animacja pokazująca działanie zaworu dla czterech różnych wartości tłumienia z wyświetlonymi na przekroju wektorami prędkości przepływu. Widoczne są również wykresy pokazujące parametry ruchu kulki oraz przepływu przez zawór.
Podsumowanie
Zaprezentowany w tym artykule proces obliczeniowo-konstrukcyjny jest przykładem na to, jak można wykorzystać zaawansowane narzędzia CFD, takie jak XFlow, do ograniczenia liczby prototypów i badań eksperymentalnych pozwalając dostroić charakterystykę elementu sterującego przepływem. Zachęcam przy okazji do lektury pozostałych naszych artykułów w temacie symulacji, a szczególnie opisujących inne przykłady możliwości XFlow.