Comportamento dinamico di valvole

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1 Comportamento dinamico di valvole Dott. Ing. Mario Cozzani Srl & Università degli Studi di Genova Felice Sfravara, Fabio Manfrone, Luca Montanelli, Massimo Schiavone, Andrea Raggi

2 Obiettivi del progetto Dinamica completa dell assieme cilindro-valvola, durante la fase di compressione e mandata. Calcolo dell istante di apertura e di chiusura della valvola. Dinamica del moto dell otturatore. Distribuzione delle forze di pressione agenti sull otturatore. Velocità d impatto dell otturatore contro i corpi valvola. Studio della geometria e posizione del sottovalvola, per ottimizzare il comportamento dell assieme cilindro-valvola.

3 Schema assieme SEDE CONTROSEDE

4 Valvola automatica Marittimo Off-Shore Seismic

5 Problematiche affrontate Modellazione geometrica realizzata con un programma esterno ad Ansys-Workbench. Contatto dell otturatore con i corpi valvola. Impatti e coefficienti di restituzione. Eccessiva distorsione della mesh. Definizione di un Timestep variabile per ottimizzare i tempi di calcolo e evitare instabilità del sistema.

6 Modellazione CAD & Mesh La geometria viene modellata con il software Pro Engineer WF5 dal quale si ottiene un assieme composto da 3 volumi (cilindro e volumi a monte e valle dell otturatore). All interno di Pro Engineer sono stati definiti due parametri per permettere di gestire lo spostamento del pistone e dell otturatore della valvola. Il CAD è importato su Ansys Meshing e i parametri vengono attivati. La mesh è ottimizzata nella zona di interesse (valvola), utilizzando elementi prismatici alla parete per definire in modo appropriato le forze di pressione e tangenziali sull otturatore.

7 Chiusura e completa apertura della valvola L otturatore a valvola chiusa e a valvola completamente aperta è posizionato a 0.1 mm dai rispettivi fine corsa. Tenuta stagna della valvola realizzata mediante una interfaccia condizionale.

8 Dinamica dell otturatore 6 DOF (Rigid Body) Definizione dell otturatore come corpo rigido. Imposte le caratteristiche della molla. Impossibilità di imporre limiti al moto dell otturatore. MULTICONFIGURATIONS Switch in una seconda configurazione dopo che l otturatore raggiunge la quota di battuta. Ritorno alla prima configurazione quando le condizioni fisiche lo permettano. Alta instabilità del problema ad ogni cambio di configurazione. Impossibilità di simulare il rimbalzo dopo l urto. EXPLICIT EQUATIONS OF MOTION (CEL Functions) Imposizione delle equazioni di moto rigido e delle equazioni di rimbalzo. Possibilità di gestire qualsiasi variabile dall esterno.

9 Dinamica dell otturatore EXPLICIT EQUATIONS OF MOTION (CEL Functions) Calcolo dello spostamento del disco ad ogni time-step mediante equazione del moto discretizzata: Spostamento = (Fflow+mDisco veldiscoold + mdisco ddiscoold tstep tstep 2 ) (kspring+ mdisco tstep 2 ) Possibilità di avere a disposizione tutte le variabili del moto del disco al time-step precedente.

10 Apertura Impatto Apertura Impatto Inizio chiusura Inizio chiusura Fine compressione Fine compressione Dinamica dell otturatore e impatto EXPLICIT EQUATIONS OF MOTION (CEL Functions) Tramite le CEL expressions si realizza separatamente la condizione di impatto e la condizione di completa apertura. L impatto è realizzato mediante l imposizione di una variazione di velocità che sarà pari a quella di impatto cambiata di segno per un coefficiente di restituzione. La condizione di apertura completa della valvola (otturatore fermo) si attiva quando le velocità di impatto sono estremamente piccole. Tale condizione si disattiva quando la forza netta agente sul disco è negativa.

11 Remeshing Elemento fondamentale di qualsiasi simulazione con mesh motion è la qualità della mesh, step by step. All interno di CFX il mesh motion è gestibile in modo smoothing (equazione di diffusione) : 1) Scelta sul coefficiente di rigidezza. 2) Scelta su dove applicare una maggior rigidezza (boundary o small volumes). Approccio utilizzato inizialmente, problema di elementi negativi quando l otturatore raggiunge il fine corsa superiore.

12 Remeshing CFX mette a disposizione 2 possibilità per fare remeshing: ICEM replay file. User Defined. Utilizzando User Defined dobbiamo fornire a CFX:

13 Remeshing Script Python Lo script Python è un Journal File che viene lanciato quando viene attivata la condizione di Remeshing definita da un Interrupt Control. Lo script è composto 4 blocchi fondamentali: 1. Identificare tutti i monitor point. 2. Identificare tutti i parametri del progetto Workbench. 3. Ricerca di corrispondenza fra il nome dei parametri e quello dei monitor point. Trovata la corrispondenza si ha un aggiornamento della geometria e della mesh. Come output si ottiene un file.mshdb. 4. Verifica licenza flottante. Accorgimenti nelle CEL expressions per la presenza del remeshing.

14 Remeshing Script Python

15 Remeshing Flusso di lavoro

16 Apertura Impatto Inizio chiusura Fine compressione Risultati Pressioni

17 Risultati Video

18 Apertura Impatto Inizio chiusura Fine compressione Risultati Velocità dell otturatore

19 Apertura Impatto Inizio chiusura Fine compressione Risultati Forza sull otturatore

20 Risultati Mesh quality

21 Remeshing Script Python

22 Conclusioni Il processo di simulazione qui descritto è stato provato su altri assieme compressore-valvola questo ci ha permesso di verificare quanto fatto. Le CEL Expressions ci hanno consentito di gestire l impatto cosi da poter simulare un intero ciclo di funzionamento di una valvola. Le potenzialità di Workbench con interfaccia Python ci hanno permesso di aggirare il problema della distorsione della mesh tramite il loop di Remeshing.

23 Possibili sviluppi Risolvere il problema del gap iniziale e quindi realizzare una chiusura completa della valvola. Aggiungere un grado di libertà al movimento dell otturatore per tener conto della non simmetria delle distribuzioni di pressione. Simulare con una sola simulazione il ciclo di lavoro completo: fase di compressione e fase di aspirazione (fondamentale per capire le interazioni tra le due fasi).

24 Grazie per la cortese attenzione Dott. Ing. Mario Cozzani Srl & Università degli Studi di Genova Felice Sfravara, Fabio Manfrone, Luca Montanelli, Massimo Schiavone, Andrea Raggi