بخشی از مقاله
خلاصه
کاویتاسیون پدیده ایست که در جریانات سیال و در زمانی که فشار محلی سیال کمتر از فشار بخار اشباع در دمای کاری باشد، اتفاق میافتد. رشد و ترکیدن حباب های کاویتاسیون باعث فرسایش سطح و جداشدن ذرات فلز میشود. این پدیده سبب بروز مشکلاتی برای شیرهای کارخانه میشود، بصورتی که با خرابی چند ماه یکبار آنها هزینه بسیاری صرف جایگزینیشان میشود. به منظور کاهش هزینههای مربوط به کاویتاسیون، اخیرا تلاشهای فراوانی برای جلوگیری از وقوع این پدیده انجام شده است. برای به تاخیر انداختن کاویتاسیون و کاهش اثرات مخرب آن از چند سری صفحات استوانهای سوراخدار به نام تریم استفاده میشود.
این صفحات باعث افت فشار چند مرحلهای در جریان شده و مانع از افت ناگهانی فشار محلی سیال، به پایینتر از فشار بخار سیال در دمای کاری میشوند. در این مطالعه با استفاده از تحلیل عددی، شیر کنترل گلوب در چهار قطر مختلف اوریفیس بررسی شده و تاثیر تغییر قطر روی شدت، ناحیه و نقطه شروع کاویتاسیون مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج نشان میدهند که نسبت به حالت بدون تریم، قرار دادن یک طبقه تریم شدت کاویتاسون را کاهش داده و شروع آن را به تاخیر میاندازد و نیز هرچه قطر سوراخ ها کمتر باشد تاخیر در شروع کاویتاسیون بیشتر خواهد بود. اگر چه کمکردن قطر سوراخها سبب کاهش ضریب جریان میشود اما شدت کاویتاسون نیز کمتر میشود.
کلمات کلیدی: کاویتاسیون، حل عددی، شیر کنترل گلوب، تریم
.1 مقدمه
شیر کنترل یکی از اجزا مهم فرایند کنترل، در سیستمهای کنترل صنعتی است. شیرهای کنترل از دو جزء اصلی تشکیل شدهاند: بدنهی شیر، که جریان را هدایت میکند و اکچویتور، که نیروی لازم برای حرکت اجزا شیر را تامین میکند. شیر گلوب یکی از پرکاربردترین شیرهای کنترل میباشد که با تغییر فاصلهی بین نشیمنگاه ثابت و پلاگ متحرک، دبی عبوری از شیر را تغییر میدهد.کاویتاسیون یکی از پارامترهای محدود کننده در طراحی و ساخت شیرهای کنترل گلوب است. این پدیده زمانی اتفاق میافتد که فشار محلی سیال کمتر از فشار بخار اشباع در دمای کاری باشد. در این شرایط حبابها در مناطق کمفشار تشکیل میشوند، با جریان حمل شده و در مناطق پر فشار میترکند و باعث فرسایش سطح و جدا شدن ذرات فلز میشوند.
برای حذف پدیدهی کاویتاسیون یا کاهش شدت آن، چند سری صفحات استوانهای سوراخدار به نام تریم در اطراف پلاگ قرار میدهند. این تریمها باعث افت فشار چند مرحلهای در جریان سیال شده و مانع از افت فشار ناگهانی سیال به زیر فشار بخار اشباع میشوند. بنابرین شروع کاویتاسیون به تاخیر افتاده و در دبیهای بالا که وقوع کاویتاسیون اجتنابناپذیر است، شدت و ناحیهی تشکیل کاویتاسیون کاهش مییابد.با ساخت شیر کنترل از پلاستیک شفاف میتوان محل تشکیل کاویتاسیون و اثرات آن بر جریان را مشاهده کرد. ولی این روش هزینهی بسیار بالایی دارد و در تمامی شرایط قابل استفاده نیست. دیویس و استوارت[1]
در بدنهی شیر، یک پنجره از پلاستیک شفاف قرار داده و با تزریق ذرات، اندازهگیری فشار و دبی نشان دادند که نتایج بدست آمده از تحلیل عددی با نتایج تجربی تطابق خوبی دارد. چرن و ونگ[2] با ساخت شیر توپی و لولهی متصل به آن از پلاستیک شفاف، الگوی جریان و گردابههای ایجاد شده توسط شیر را مشاهده کرده و با نتایج بدست آمده از حل تحلیلی مقایسه کردند.در اثر ترکیدن حبابها در مناطق پر فشار صدا و ارتعاش در سیستم ایجاد میشود. با اندازهگیری صدا و نوسانات فشار، میتوان شروع کاویتاسیون و چوک شدن جریان توسط کاویتاسیون را اندازه گرفت. ولی در این روش، محل تشکیل کاویتاسیون و الگوی جریان قابل مشاهده نیست. سدینا[3] از صدای ایجاد شده در اثر کاویتاسیون، برای تشخیص شروع کاویتاسیون در پمپهای سانتریفیوژ استفاده کرد . رحیمزاده و مسجدیان[4]
با استفاده از آنالیز شکل موج در شیر گلوب، نقطهی شروع کاویتاسیون و چوک شدن جریان را بررسی کردند. آنها نقطهی شروع کاویتاسیون را جایی در نظر گرفتند که منحنی مشخصه شروع به خارج شدن از حالت خطی میکرد. این نقطه که با نام کی.سی شناخته میشد، با افزایش بازشدگی شیر کاهش مییافت.با توجه به هزینهی بالا و محدودیتهای موجود در روشهای تجربی، استفاده از دینامیک سیالات محاسباتی برای تحلیل جریان و پدیدهی کاویتاسیون در شیرهای کنترل رو به افزایش است. هونگ و همکارانش[5] با حل عددی جریان در شیر سوپاپی، اثرات پارامترهایی مانند فشار خروجی، سرعت ورودی و بازشدگی شیر را بر روی ناحیهی تشکیل کاویتاسیون و ماکزیمم کسر حجمی بخار بررسی کردند.
آنها به این نتیجه رسیدند که با افزایش دبی ورودی، ماکزیمم کسر حجمی بخار افزایش مییابد که این افزایش در شروع کاویتاسیون بسیار زیاد است. یانگ و همکارانش[6] شیرهای ضد کاویتاسیون گلوب را که در سیستمهای دریایی دوگانه سوز کاربرد دارد تحلیل کردند. آنها تاثیر قطر اوریفیس تریم و سایز دریچه تخلیه شیر را بر روی الگوی جریان و شدت کاویتاسیون بررسی کردند. شدت کاویتاسیون درشیرهای تازه طراحی شده کم تر از نمونههای قدیمیتر بود و الگوی جریان نیز بهبود یافته بود. سالوادور و همکارانش[7] با استفاده از تحلیل عددی، الگوی جریان و پدیده کاویتاسیون را در شیر گلوب بررسی کردند.
آنها با اصلاح هندسه در خروجی پیستون، ساختارهای گردابهای در خروجی را کاهش دادند. با این کار نیروی وارد بر پیستون و ارتعاشات شیر کاهش یافت و شروع کاویتاسیون به تاخیر افتاد. راموهان و همکارانش[8] با بررسی تجربی شیر کنترل گلوب، تاثیر پنج نوع مختلف تریم، که دارای تعداد و نوع سوراخهای متفاوت بودند را بر روی ظرفیت جریان و کاویتاسیون بررسی کردند. آنها دریافتند که با افزایش تعداد سوراخهای تریم، شدت کاویتاسیون کاهش مییابد و شروع کاویتاسیون به تاخیر میافتد. با این وجود ظرفیت جریان افت میکند. کین یانگ و همکارانش[9] با تحلیل عددی ناپایا، جریان در شیر توقف را بررسی کردند. انها تاثیر دبی جرمی را بر روی نوسانات فشار، الگوی جریان و ضریب جریان مطالعه کردند. یکی از ویژگیهای جریان در شیر توقف،محل و قدرت گردابهها است؛ که باعث نوسانات فشار در جریان میشود. این نوسانات فشار، یکی از دلایل اصلی لرزش سیستم لولهکشی است که با کاهش قدرت گردابهها میتوان این نوسانات را کاهش داد.
امروزه بیشتر شیرهای کنترل گلوب مورد استفاده در صنعت داری تریم هستند. در مطالعات پیشین تاثیر قطر اوریفیس ونوع تریم، بر روی شدت کاویتاسیون و الگوی جریان بررسی شده است6]، .[10 در این مطالعه با استفاده از نرم افزار تجاری فلوئنت، شیر کنترل گلوب در چهار حالت بدون تریم و سه قطر سوراخ مختلف دو، سه و چهار میلیمتر بررسی شد وتاثیر قطر سوراخها بر روی نقطهی شروع کاویتاسیون، ناحیه تشکیل و شدت کاویتاسیون، میدان سرعت و پخش فشار بدست آمد. قرار دادن تریم، شدت کاویتاسیون را به طور قابل ملاحظهای نسبت به شیر بدون تریم کاهش داده و وقوع آن را به تاخیر میاندازد. همچنین با کاهش قطر سوراخها، کاویتاسیون در دبیهای بالاتری رخ داده و شیرکنترل در محدوده عملکرد وسیعتری بدون کاویتاسیون کار میکند. البته کاهش قطر، کم شدن ضریب جریان و راندمان شیر را نیز به دنبال دارد که این کاهش در قطرهای مختلف تفاوت چندانی ندارد.
.2 مورد مطالعه
در شیرهای گلوب، منحنی پلاگ یک پارامتر مهم میباشد، زیرا این منحنی، منحنی مشخصه شیر را مشخص میکند. زمانی که پلاگ از سیت دور میشود، سطح مقطع عبور سیال زیاد شده و دبی عبوری افزایش مییابد. پلاگ شیر قدیمی در ابتدا دارای منحنی مشخصه با بازشدگی سریع بود و با اصلاح منحنی پلاگ، به منحنی مشخصهی خطی تغییر یافت - شکل . - 1موضوع مورد بحث در این مطالعه شیر کنترل گلوب میباشد. هندسهی این شیر از روی نمونه صنعتی بدون تریم گرفته شده است، به علت این که تریمها فضای زیادی را اشغال میکنند، برای قرار دادن تریمها، قسمت بالای بدنهی شیر قدیمی اصلاح شده تا سیال به آسانی در اطراف تریم جریان پیدا کند - شکل. - 2
