W niniejszym wpisie chciałbym pokazać Wam, jak w prosty sposób zaimplementować zawór zwrotny w symulacjach z wykorzystaniem programu SOLIDWORKS Flow Simulation. W Internecie można znaleźć wiele fajnych przykładów, pokazujących możliwości tego oprogramowania do symulacji i analizy zaworów zwrotnych. Jednak modelowanie geometrii i symulacja działania całego zaworu może prowadzić do niepotrzebnej komplikacji modelu. Naszym celem będzie osiągnięcie efektu – jak przy zastosowaniu w układzie zaworu zwrotnego – przepływu tylko w jednym kierunku. I, podobnie jak w innych przypadkach, osiągniemy to poprzez zastosowanie komponentów z biblioteki Engineering Database.
Zawór zwrotny w Engineering Database
Biblioteka Engineering Database zapewnia dostęp do reprezentacji działania/właściwości obiektów, które chcemy wykorzystać w naszej symulacji CFD. Zawiera one standardowe obiekty, takie jak: wentylatory (Fans), radiatory (Heat Sink), materiały (Materials), płyty perforowane (Perforated plates), płytki PCB (Printed Circuit Boards) i wiele innych. Jednak pomimo wielu możliwości, które daje Engineering Database, nie zawiera ona zbioru zaworów, ani tym bardziej zaworów zwrotnych. Nie oznacza to jednak, że nie możemy zdefiniować i użyć takiego obiektu. Musimy jednak skorzystać z definicji innego obiektu do zdefiniowania naszego zaworu zwrotnego. I będzie to wentylator!
SOLIDWORKS Flow Simulation zawiera szeroką bibliotekę wentylatorów, które opisane są poprzez charakterystykę statyczną wentylatora. Jest to zależność pomiędzy spadkiem ciśnienia a ilością transportowanego płynu. Przykładową charakterystykę dla wentylatora Papst 3312L zaprezentowano poniżej:
Dwa kluczowe parametry na krzywej wentylatora to natężenie przepływu przy pracy jałowej i ciśnienie, przy którym wentylator jest zablokowany. Korzystając z analogicznej relacji, jesteśmy w stanie zdefiniować różnego rodzaju zawory. W przypadku zaworów zwrotnych przepływ może nastąpić głównie w jednym kierunku. Aby uzyskać takie zachowanie, należy zdefiniować dostosowany (User Defined) wentylator, którego charakterystyka powinna wyglądać jak na poniższym przykładzie:
Zaprezentowana metoda modelowania zaworów zwrotnych jako wentylatorów prawidłowo opisuje układy w stanie stacjonarnym. Nie jest ona odpowiednia dla układów dynamicznych. Jednak, jeśli czasy odpowiedzi zaworów są odpowiednio małe w porównaniu z szybkością zmian w całym projekcie, model ten może zostać zastosowany. Szerszy opis zastosowania wentylatorów, nie tylko jako zaworów zwrotnych, ale również jako reduktorów ciśnienia lub regulatorów przepływu, możecie znaleźć tutaj.
Zastosowanie zaworu zwrotnego – układ dwóch rur
Aby zobrazować zastosowanie zaworu zwrotnego, przygotowałem prosty przykład symulacji przepływu wody w układzie rur o jednakowej średnicy zewnętrznej (Φ = 20 cm) i grubości ścianek (d = 2 mm). Z jednej strony układu (wlot) zdefiniowałem przepływ objętościowy o wartości 0.3 m3/s, a z drugiej strony (wylot) statyczne ciśnienie (101325 Pa).
W odległości 10 mm od miejsca, gdzie pierwsza rura ulega rozgałęzieniu, znajdują się dwa dyski (h = 0.5 mm), które posłużą nam do zdefiniowania zaworów zwrotnych: górny (czerwony) oraz dolny (zielony). Zawory zwrotne zostały zamodelowane jako wentylatory wewnętrzne (Internal Fan), z wykorzystaniem krzywej zaprezentowanej we wstępie tego artykułu.
Aby pokazać wpływ zastosowania zaworów zwrotnych, zdecydowałem się wykonać symulację w trzech różnych wariantach. W pierwszym wariancie wykonałem obliczenia z pominięciem działania zaworu zwrotnego – dyski zostały wykluczone z analizy. W drugim wariancie wykonałem obliczenia z założeniem, że działają dwa zawory zwrotne i umożliwiają przepływ w kierunku od wlotu do wylotu. W trzecim, ostatnim wariancie zaworu, dyski działają w różnych kierunkach – umożliwiają przepływ w dolnej rurze i blokują przepływ w górnej. Dla każdego z wariantów pokazano wyniki w postaci wykresu pola prędkości wraz z wektorami prędkości.
Wariant pierwszy – brak zaworów zwrotnych
Wariant drugi – dwa zawory zwrotne umożliwiające przepływ
Wariant trzeci – dwa zawory zwrotne – dolny umożliwiający, a górny blokujący przepływ
Na podstawie powyższych wykresów możemy stwierdzić, że zastosowanie Internal Fan z odpowiednio dobraną krzywą pozwala na uwzględnienie działania zaworu zwrotnego. W trzecim wariancie prawie całkowity przepływ występuje w dolnej rurze zgodnie z kierunkowym działaniem zaworów zwrotnych. Porównując pozostałe wyniki, możemy zaobserwować dodatkowy wpływ zaworu zwrotnego. W pierwszym wariancie, po rozgałęzieniu rury, profil prędkości staje się niejednorodny wzdłuż przekroju rury. W wariancie drugim profil prędkości w tym samym miejscu jest dużo bardziej jednorodny. Aby to lepiej zobrazować, przygotowałem wykresy prędkości (XY Plots) w odległości od 33.2 mm od płaskich dysków służących do zdefiniowania zaworów zwrotnych (szare linie na wykresach pola prędkości).
Wariant pierwszy – brak zaworów zwrotnych
Wariant drugi – dwa zawory zwrotne umożliwiające przepływ
Wariant trzeci – dwa zawory zwrotne – dolny umożliwiający, a górny blokujący przepływ
Porównując profile prędkości widzimy, że zastosowanie zaworów zwrotnych (wariant drugi) prowadzi do bardziej jednorodnego profilu prędkości niż w przypadku braku zaworów (wariant pierwszy). Dodatkowo, kierunkowe działanie zaworu zwrotnego jest wyraźnie widoczne w wynikach wariantu trzeciego.
Zastosowanie zaworu zwrotnego – zmiana przepływu w układzie rur
Działanie zaworu zwrotnego chciałbym również pokazać na przykładzie bardziej złożonego układu rur (Φ = 50 cm), przez które również przepływa woda. Z jednej strony układu (wlot) zdefiniowałem przepływ objętościowy o wartości 0.3 m3/s, a z drugiej strony (wylot) statyczne ciśnienie (101325 Pa).
Zawór zwrotny umieszczono w układzie jak na zdjęciu poniżej. Został on również zamodelowany jako wentylator wewnętrzny (Internal Fan), z wykorzystaniem krzywej zaprezentowanej we wstępie tego artykułu.
Wykonano dwa typy symulacji. W pierwszym z nich pominięto działanie zaworu zwrotnego – element został wygaszony. W drugim przypadku do elementu został przypisany wentylator o krzywej charakterystycznej, odpowiadającej zaworowi zwrotnemu. Wyniki obu symulacji, animacji trajektorii cząsteczek, przedstawiono poniżej. Kolory reprezentują prędkość.
Wariant pierwszy – brak zaworu zwrotnego
Wariant drugi – z zaworem zwrotnym
Porównując rozwiązania można zauważyć, że w układzie bez zaworu zwrotnego przepływ cofa się w środkowej segmencie rur. W modelu zawierającym zawór zwrotny przepływ w środkowej rurze przebiega w przeciwnym kierunku.
Podsumowanie
Podczas tworzenia symulacji często kluczowe jest uproszczenie modelu przy wykorzystaniu standardowych elementów zawartych, np. w Engineering Database. Mam nadzieję, że przedstawiona metoda na uwzględnienie w naszych badaniach zaworu zwrotnego, okaże się dla Was przydatna. Zachęcam do przetestowania i powodzenia w Waszych symulacjach!
