Comportamento dinamico di valvole - Ansys

Comportamento dinamico
 di valvole
 Dott. Ing. Mario Cozzani Srl
 &
 Università degli Studi di Genova

 Felice Sfravara, Fabio Manfrone, Luca Montanelli,
 Massimo Schiavone, Andrea Raggi

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.

Schema assieme
 SEDE CONTROSEDE

Valvola automatica

 Marittimo

 Off-Shore

 Seismic

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.

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.

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.

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.

Dinamica
 dell’otturatore
EXPLICIT EQUATIONS OF MOTION (CEL Functions)

 Calcolo dello spostamento del disco ad ogni time-step mediante equazione del moto
 discretizzata:

 ∙ ∙ 
 ( +
 
 + 2
 )
 = 
 ( + )
 2

 Possibilità di avere a disposizione tutte le variabili del moto del disco al time-step
 precedente.

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

 Fine compressione
 Fine compressione
 restituzione.

 Inizio chiusura
 Inizio chiusura
 La condizione di apertura completa della valvola (otturatore fermo) si
 Apertura

 Apertura
 Impatto

 Impatto
 attiva quando le velocità di impatto sono estremamente piccole. Tale
 condizione si disattiva quando la forza netta agente sul disco è negativa.

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.

Remeshing

 CFX mette a disposizione 2 possibilità per fare remeshing:
  ICEM replay file.
  User Defined .

 Utilizzando User Defined dobbiamo fornire a CFX:

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.

Remeshing
Script Python

Remeshing
Flusso di lavoro

Apertura
Impatto
 Risultati
 Pressioni

Inizio chiusura

Fine compressione

Risultati
 Video

Risultati

Apertura

Impatto
 Velocità dell’otturatore

Inizio chiusura

Fine compressione

Apertura

 Impatto
 Risultati
 Forza sull’otturatore

Inizio chiusura

 Fine compressione

Risultati
Mesh quality

Remeshing
Script Python

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 .

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).

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