Особенности ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДОЗВУКОВОГО ТЕЧЕНИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОМ КЛАПАНЕ

При расчете течений газа в пневматическом клапане всегда существует вероятность получения искаженных результатов. В данной работе с целью оценки величины погрешности в зависимости от давления в клапане было использовано численное моделирование дозвукового течения в пакете программ Ansys Fluent. В результате было установлено, что наибольшая погрешность измерений наблюдается при наименьшем давлении в клапане, но при этом, она не оказывает значительного влияния на весь расчет.

Численное моделирование течений газа в сверхзвуковых и дозвуковых режимах является актуальной задачей вычислительной гидродинамики. При этом важной, но редко рассматриваемой задачей, возникающей во время численного расчета, является оценка его погрешности.

В работах [1-5] не проводится проверка модели на устойчивость и оценка погрешности результатов, что может привести к искажению результатов расчета.

К существенным факторам, влияющим на погрешность, относятся заданные граничные и начальные условия расчета, качество сетки конечных элементов, правильная оценка размеров пристеночного слоя, а также устойчивость самой сеточной модели, от которой зависит точность результатов самого расчета. В данной работе размер пристеночного слоя оценивался с помощью параметра Y+.

В работе рассмотрена двумерная модель течения идеального газа в пневматическом клапане в пакете программного обеспечения Ansys Fluent. При расчете задавалась модель турбулентности k-ω SST. Приведены результаты численного расчета при различных граничных условиях и частотой сетки конечных элементов.

Для определения погрешности численного расчета смоделирована двумерная осесимметричная модель пневматического клапана, в котором регулируемым параметром является его высота подъема h (рисунок 1).

1 – корпус; 2 – крышка клапана

Рис. 1. Геометрическая осесимметричная модель пневматического клапана

В процессе расчета были определены силы давления на тарель клапана и расход при различных давлениях на входе и различной высоте подъема клапана.

График изменения коэффициента подъемной силы φ с учетом полученных в результате расчетов погрешностей представлен на рисунке 2. Сам коэффициент подъемной силы рассчитывается по формуле φ

где - действительное значение силы, действующей на тарель клапана, полученное при численном расчете,

- сила, действующая на клапан в закрытом состоянии. Она рассчитывается по формуле:

где - давление, действующее на тарель клапана, задаваемое при численном расчете,

- диаметр тарели клапана

h – высота подъема клапана

Рис. 2. График изменения коэффициента подъемной силы (при P = 20 кПа)

При расчете на входе в клапан задавалось давление в 10, 12, 15, 18 и 20 кПа. При попытке просчитать модель при 22 кПа она переходила в нестабильное решение. При попытке увеличить частоту сетки в 2 раза устойчивость модели тоже уменьшилась.

Расчет модели при каждом значении давления проводился в 3 этапа. На первом этапе модель рассчитывалась при заданном давлении. На втором этапе исходное значение давления уменьшалось на 10%, и заново проводился расчет. На третьем этапе давление возвращалось к исходному значению. Данная процедура проводилась с целью проверки заданной модели на устойчивость.

На рисунке 3 представлен график изменения относительной погрешности расчета при различных давлениях на входе, а также в зависимости от высоты поднятия клапана.

Рис. 3. График изменения относительной погрешности

По полученным из расчетов данным видно, что результаты измерений попадают в заданные пределы отклонений численного расчета, то есть они являются достаточно точными, если принимать допустимую погрешность, равную 5%. Относительные погрешности вызваны неточностями численных методов.

Библиографические ссылки

1. Numerical simulation of 3D flow through a control valve. / J. Badur, M. Banaszkiewicz, M. Karcz, M. Winowiecki // Turbomachinery, 1999, №115. 6 с.

2. Numerical simulation of gas flow in an electrostatic precipitator. / Q.F. Hou, B.Y. Guo, L.F. Li, A.B. Yu // Seventh International Conference on CFD in the Minerals and Process Industries (CSIRO, Мельбурн, Австралия. 9-11 декабря 2009). 6 с.

3. CFD analysis of flow forces and energy loss characteristics in a flapper–nozzle pilot valve with different null clearances. / Nay Zar Aung, Qingjun Yang, Meng Chen, Songjing Li // Energy Conversion and Management, 2014, №83. С. 284–295

4. CFD simulation of flow-pressure characteristics of a pressure control valve for automotive fuel supply system / Dazhuan Wua, Shiyang Lia, Peng Wua // Energy Conversion and Management, 2015, №101. С. 658-665

5. CFD analysis on the dynamic flow characteristics of the pilot-control global valve / Jin-yuan Qian, Lin Wei, Zhi-jiang Jin, Jian-kai Wang, Han Zhang, An-le Lu // Energy Conversion and Management, 2014, №84. С. 220-226