بخشی از مقاله
چکیده
با پیشرفت کامپیوتر های شخصی ، دینامیک محاسباتی سیالات به طور گسترده در شاخه های مختلف صنعتی مورد استفاده قرار گرفته است . در سال های اخیر ، استفاده از دینامیک محاسباتی سیالات از اعتبار خاصی در طراحی انواع مختلف شیرهای صنعتی برخوردار شده است . در این مقاله به صورت عددی به بررسی پدیده کا ویتاسیون و پارامترهای مختلف مثل فشار و سرعت در زوایای بازشدگی مختلف شیر پرداخته می شود . از نرم افزار تجاری فلوئنت به عنوان حل کننده استفاده شده است.
بمنظور پیدا کردن جواب های فیزیکی قابل قبول ، از مدل توربولانس k برای مدلسازی جریا ن توربولانس و مدل اختلاط دو فازی برای بررسی پدیده کاویتاسیون استفاده شده است.جهت بررسی صحت نتایج بدست آمده ، نتایج عددی با نتایج آزمایشگاهی مقایسه شده است. نتایج نشان می دهد که با افزایش زاویه بازشدگی شیر ، ضریب افت و شاخص کاویتاسیون افزایش می یابد در صورتی که مقدار ضریب جریان کاهش می یابد . همچنین سه گردابه درون شیر تشکیل می شود که با افزایش زاویه بازشدگی ، این گردابه ها بزرگتر می شوند . علاوه بر این نتایج شبیه سازی نشان می دهد که سرعت ورودی تاثیر چندانی بر روی ضریب افت و جریان ندارد.
مقدمه
شیرها بطور گسترده در صنایع مختلف استفاده می شوند. اهداف مختلفی برای استفاده یک شیر در یک سیستم لوله کشی وجود دارد که یکی از آنها کنترل مقدار دبی جریان می باشد . لذا برای یک سازنده شیرهای توپی، مطالعه مشخصات جریان در یک شیر بسیار حائز اهمیت می باشد . علاوه بر ضریب جریان، نکات دیگری وجود دارد که یک سازنده بایستی درنظر داشته باشد . برای مثال، شیر دبای طوری طراحی گردد تا از کاویتاسیون به دلیل فشار محلی کم جلوگیری شود . کاویتاسیون سبب ارتعاش و ایجاد صدا در زمان کارکرد یک شیر توپی می شود و برای یک دوره کارکرد طولانی ممکن است سبب ایجاد صدمات جدی به سیستم لوله کشی گردد.
در گذشته، اطلاعات مربوط به کارایی شیر توپی از اندازه گیریهای مستقیم فشار و دبی جریان بدست می آمد . [1] Hutchison، [2] Driskell و Kirik و [3] Pearsonاطلاعات مفیدی در زمینه طراحی شیرهای توپی ارائه کردند . Itasaka و [4] Ota به منظور تحلیل ساختار جدایش در پشت دماغه های مخروطی ، توزیع فشار در عقب یک دماغه مخروطی را اندازه گیری کردند . علاوه بر این، [5] Kelsoو همکاران نیز توزیع فشار سطح را اندازه گیری و توازن بین توزیع فشار و تنش ها ی برشی رینولدز در امتداد خطوط جدایش و سطح پشت یک سطح مخروطی شکل را بررسی کردند.
اگر ساختار جریان در یک شیر توپی موجود باشد، مهندسان به کمک این اطلاعات می توانند کارایی شیرهای توپی را بهبود بخشند . امروزه به دلیل پیشرفتهای اخیر در روشهای آشکار سازی جریان و دینامیک محاسباتی سیالات ، مشاهده جریان درون یک شیر توپی ممکن شده است. به کمک روش آشکار سازی جریان می تواند رفتار جریان در یک شیر توپی، بخصوص پدیده کاویتاسیون را مورد مطالعه قرار داد.
برای مثال ساختار ورتکسها در جریانهای داخل یک شیر توپی که نمایانگر افت انرزی یا افت فشار می باشند را می توان به کمک این روش پیدا کرد . در نتیجه، با توجه به اطلاعات بدست آمده و ضریب کاویتاسیون می توان کاویتاسیون را پیش بینی کرد . دینامیک محاسباتی سیالاتی یکی از روشهای قدرتمند در شبیه سازی جریان در انواع شیرهای می باشد. به کمک این روش می توان جزئیات دینامیک حرکت سیال در موقعیتهای دلخواه نزدیک به شیر را بررسی کرد .
پس از اعتبار سنجی اینگونه شبیه سازی ها با نتایج آزمایشگاهی، تحلیلهای CFDمی توانند اطلاعات ارزشمندی درباره جزئیات دینامیک سیال و تنشهای ایجاد شده بر روی بدنه شیر را ارائه دهند . همچنین با استفاده از این روش، مطالعه پارامتری با تغیرات شکل هندسی شیر و شرایط مختلف می توانند بصورت کاملا مقرون بصرفه انجام گیرد. در سالهای اخیر محققان زیادی جریان سیال در داخل یک شیر را به کمک روشهای محاسباتی مورد بررسی قرار داده ا ند. برای مثال، [6] Kerhو همکاران با استفاده از یک روش المان محدود برهم کنشهای سیال و سازه یک شیر کنترل را بررسی کردند . [7]
Mertaiو همکاران به کمک نرم افزار تجاری فلوئنت، جریان اطراف یک شیر توپی با قطاع V شکل را مطالعه کردند . Van [8] Lookeren Campagne و ه مکاران از نرم افزار تجاری ALV-Fire برای شبیه سازی جریانهای حبابی در شیر های توپی استفاده کردند . Stewart و[9] Davis با استفاده از نرم افزار فلوئنت به مطالعه جریان سیال در شیرهای کنترل پرداختند . در زمینه شبیه سازی های سه بعدی، 10] Huang به کمک نرم افزار فلوئنت جریان توربولانس را در یک شیر پروانه ای بررسی کردند .
آنها از مدل k برای شبیه سازی جریان توربولانس استفاده کردند [11] Gao . و همکاران ، جریان کاویتاسیون از شکاف یک سوپاپ را به کمک مدل توربولانس k بررسی کرده و نتایج خود را با نتایج آزمایشگاهی بدست آمده از روش آشکار سازی جریان مقایسه کردند . [12] Leino و همکاران به کمک دینامیک محاسباتی سیالات، فشار ، سرعت و کاویتاسیون در یک شیر سوپاپ هیدرولیکی بررسی کردند. آنها همچنین تاثیر شبکه محاسباتی و مدلهای توربولانس مختلف را بر روی همگرایی حل بررسی کردند . آزمایشهای مختلفی توسط محققان مختلف در این زمینه انجام گرفته شده است.
در این مقاله با استفاده از مدل اختلاط چند فازی، کارایی، پدیده کاویتاسیون، توزیع سرعت و فشار در یک شیر توپی بررسی می شود . ابتدا نتایج شبیه سازی با نتا یج آزمایشگاهی مقایسه می شود . سپس تاثیر سرعت ورودی و زاویه بازشدگی شیر برروی شدت کاویتاسیون و توزیع سرعت و فشار درون شیر مطالعه می شود. در نهایت تاثیر سرعت ورودی و زاویه بازشدگی شیر برروی ضریب افت، ضریب دبی و شاخص کاویتاسیون مطالعه می گردد
معادلات حاکم
در این مطالعه، جریان سیال گذرنده از یک شیرتوپی بصورت سه بعدی مدلسازی شده است .
