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Pillole Di CFD #1 - Analisi Di Una Valvola - Perché è necessaria la CFD?

Aggiornamento: 21 giu 2023



Spesso si associa l'analisi CFD alla verifica delle forze che si scaricano su una struttura.


Ma nella realtà l'utilizzo delle simulazioni fluidodinamiche ha un numero di applicazioni molto più elevate.


In questo articolo analizziamo come la simulazione fluidodinamica cfd facilità la progettazione delle valvole e permetta di predire alcuni aspetti fondamentali, tra cui:

  1. La forza che agisce sulla componistica interna della valvola, come ad esempio quella che agisce sullo stelo, se è presente.

  2. Il campo di pressione interno reale;

  3. La perdita di pressione e pertanto l'efficienza di una valvola, calcolando il coefficiente Cv;

  4. Presenza di aree di cavitazione:

  5. Varie ed eventuali (come ad esempio il valore di sforzi di taglio sulla superficie interna, utile per comprendere come avviene la pulizia della stessa e dove si potrebbe avere concentrazione di sporcizia e incrostazioni).

Concentriamoci sul calcolo della perdita di pressione, che a primo impatto è quel parametro che permette di stimare l'efficienza di una valvola.



A COSA SERVE CONOSCERE LA PERDITA DI PRESSIONE DI UNA VALVOLA? PERCHE' SI USA IL CFD?


In idraulica è fondamentale prendere a riferimento il tubo ideale, ossia quell'oggetto in cui la pressione totale della faccia di ingresso è pari alla pressione totale della faccia di uscita.


Trascurando le perdite dovute all'attrito (che in realtà non sono trascurabili ma che a questo livello non sono il nostro oggetto di ricerca), la presenza di possibile zone di ricircolo conduce ad una perdita di pressione totale, che porta auna diminuzione della velocità e che può portare ad una pressione di uscita a fine condotta che rasenta lo zero, avendo perciò un contenuto energetico inferiore a quello atteso (e magari non riuscendo a rilasire un condotto per via dell'energia cinetica necessaria a contrastare quella potenziale).


Questa efficienza si misura con un parametro ben preciso, che viene chaiamto Cv, ossia "Coefficiente di Flusso".


Il Cv è definito come:


Dove:

  • Q = Portata Volumetrica

  • SG = Gravità Specifica (densità liquido / densità acqua alla stessa temperatura)

  • DP = Perdita Di Pressione


Possiamo fare delle considerazioni:

  1. Nel caso di tubazione ideale, questo parametro è pari a infinito, in quanto il DP è pari a 0

  2. Nel caso di tubazione chiusa. non avendo flusso all'interno della tubazione, si ottiene un Cv pari a 0.

Considerando questi due casi limite, viene da se che più è elevato il valore, più il componente idraulico è efficiente.


Una stessa valvola può presentare diversi valori di CV a seconda del suo valore di apertura e del verso da cui viene attraversata.

Come si vede, la difficoltà è nel determinare i parametri di perdita di pressione e di portata teoricamente.


Ed è qui che l'analisi CFD ci viene in aiuto.

Vediamo un esempio pratico.





L'ANALISI CFD PER IL CALCOLO DEL CV DI UNA VALVOLA


Consideriamo la seguente valvola in figura, da cui abbiamo estratto il suo volume fluido
















Figura 1: A sinistra il corpo valvola in sezione, a destra il volume fluido estratto dal corpo valvola


la difficoltà è nel determinare i parametri di perdita di pressione e di portata teoricamente.

Una volta creata la mesh, andiamo ad assegnare le seguenti condizioni al contorno:


  • Inlet: 2.5 bar

  • Outlet: 0 bar (relativi)

  • Wall: Condizione di fluido fermo ma con assenza di attrito;

  • Fluido: Acqua a 25°C

  • Fluido che non scambia temperatura con l'ambiente esterno (condizione pesante ma per il nostro caso studio più che soddisfacente)

Figura 2: Condizione di inlet e outlet nel volume fluido.

Ad analisi terminata otteniamo il seguente campo di velocità che andiamo a visualizzare con le streamline per verificare la presenza di zone di ricircolo:


Figura 3: Streamline nel volume fluido.

Notiamo come sono presenti zone di forte ricircolo nella parte posteriore della. Questo comportamento si tramuta in perdita di pressione. Essendo queste zone molto estese, ci si può aspettare un elevato valore di perdita.


Andando a calcolare la pressione totale sulle due zone, otteniamo:

- Pressione Totale @ Inlet = 2.5 bar

- Pressione Totale @Outlet = 0.937 bar

- Perdita = Pt@Inlet - Pt@Outlet = 1.563 bar


Si nota una caduta di pressione di circa il 62%.


Per poter calcolare il CV, calcoliamo la portata all'inlet:

- Q = 0.05718 m^3/s


Poichè il liquido è acqua, il valore di SG è unitario.


Si ottiene pertanto un valore di Cv pari a :

Tramite l'analisi CFD è stato possibile calcolare in maniera esatta i valori di pressione in uscita ed la portata in ingresso.


Senza l'utilizzo della simulazione CFD, non sarebbe stato possibile calcolare questi parametri con estrema accuratezza e sarebbe stato necessario impostare dei test fisici.


Questa analisi può essere ripetuta per diverse configurazioni di apertura, così da stimare la posizione ottimale e regolare di conseguenza la corsa dello stelo. Infatti non è detto che la posizione migliore si ottenga con la valvola completamente aperta (a rigor di logica si, ma a noi ingegneri gli assunti non piacciono mai e vogliamo sempre avere prove tangibili di un certo comportamento).



QUALI ALTRE INFORMAZIONI SI POSSONO RICAVARE?


Oltre al calcolo del CV, è possibile estrarre informazioni quali:

  • forza di pressione che agiscono sulla struttura per vedere se lo spessore del materiale è corretto in zone in cui possono verificarsi concentrazioni di sforzi;

  • Verificare la forza che si scarica sullo stelo (per verificarne la stabilità, la tenuta dei bulloni per la forza che si scarica, etc.);

  • Verificare la presenza di zone di cavitazione (quindi vedere se un una particolare zona si ha che la pressione scende al di sotto della pressione per cui si verifica

Senza l'analisi CFD, ottenere queste informazioni richiederebbe molto più tempo.

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Ing. Francesco Grispo

fgcaeanalyst@gmail.com



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FGCAEANALYST è al servizio delle aziende. Ti seguiamo passo passo nell'analisi dei tuoi componenti mettendoci la stessa attenzione che metteremmo se fosse nostro.

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1 Comment


Marco Forestan
Marco Forestan
May 10, 2023

Molto interessante questa nuova rubrica 😀

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