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Simulación numérica de válvula de retención de mariposa neumática usando dinámica de fluidos computacional (CFD)
Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 2475 (2023) Citar este artículo
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Detalles de métricas
El artículo presenta una simulación CFD numérica de una válvula de retención de estrangulación utilizada en un sistema de control innovador para dos accionamientos neumáticos. Este tipo de control se utiliza en un innovador dispositivo de rehabilitación para miembros inferiores. Con el fin de determinar las condiciones de contorno, se llevaron a cabo pruebas experimentales. Se escalaron las válvulas de mariposa en el banco de pruebas y se leyeron los valores de caudal de aire para diferentes alturas de apertura de válvula. El propósito de este artículo es presentar una simulación CFD de un acelerador de válvula de retención preajustado. La simulación numérica (CFD) permite estudiar los fenómenos de flujo dentro de una válvula de retención neumática, con diferentes tamaños de espacios de flujo. Los resultados obtenidos permitieron determinar la distribución de cantidades físicas de presión estática, la velocidad del medio que fluye a través de la válvula o la distribución vectorial de velocidades. El conjunto de válvulas de mariposa ha sido dimensionado para un adecuado grado de sincronización del movimiento de los actuadores de los pistones independientemente de las diferentes cargas externas que actúan sobre cada uno de ellos. Los autores investigaron los fenómenos de flujo de aire para diferentes alturas de apertura de válvulas. La simulación proporcionó información sobre la ocurrencia de velocidades de flujo supersónicas y subsónicas en alturas de apertura de válvulas específicas.
En los sistemas en los que se utilizan accionamientos neumáticos, es necesario el movimiento simultáneo de los vástagos del pistón. Cuando hay una carga externa diferente, se observa un movimiento desigual de los vástagos del pistón de accionamiento. Es difícil obtener el mismo desplazamiento de los vástagos de los pistones impulsores bajo diferentes cargas1,2, principalmente debido al hecho de que el aire comprimido es comprimible3,4,5, y también hay resistencia al movimiento causada por la autofricción de los pistones impulsores6,7, 8,9,10.
Los sistemas neumáticos utilizan válvulas proporcionales11 y electroválvulas todo/nada12,13, con las que regular el caudal de aire5,14. Las electroválvulas todo/nada son de uso común en la industria porque son componentes neumáticos menos costosos que las válvulas proporcionales15,16.
Para obtener el movimiento simultáneo de accionamientos neumáticos, por ejemplo, se utilizan sincronizadores de movimiento17,18 o válvulas de retención de estrangulación7,19. Las válvulas de retención de estrangulación se utilizan ampliamente en neumática como elementos de control de flujo en muchas industrias.
Los elementos neumáticos más comunes que se utilizan para regular el flujo del medio de trabajo son las válvulas de mariposa y las válvulas de retención de mariposa. Sin embargo, la desventaja de esta válvula es la sensibilidad a los cambios en la fuerza de carga del accionamiento del vástago del pistón. El flujo del medio de trabajo a través del espacio de la válvula aumenta con la fuerza de carga20.
La válvula de retención del acelerador se utiliza para regular la velocidad de extensión o retracción de los vástagos de los pistones de los cilindros neumáticos. Es una conexión en paralelo de un acelerador y una válvula de retención. En esta válvula, el flujo de aire se estrangula en una sola dirección. El aire fluye a través de una sección transversal reducida ajustable en la válvula de mariposa y el flujo del medio de trabajo cierra la válvula de retención. Cuando se mueve en la dirección opuesta, el aire fluye libremente con la válvula de retención abierta7.
En los sistemas hidráulicos se utilizan sincronizadores de movimiento. El movimiento de sincronización de los accionamientos hidráulicos suele ser realizado por una válvula proporcional o servoválvula21. También puede encontrarse con válvulas de encendido y apagado de alta velocidad (HSV)22. HSV se utiliza, por ejemplo, para el control de presión23 y también para el control de posición24. Los autores del artículo25,26 presentaron el control de los elementos de accionamiento hidráulico a través de una válvula de apertura y cierre de alta velocidad. Los autores utilizaron un algoritmo de control de sincronización cooperativo, PWM-PFM (modulación de ancho de pulso-modulación de frecuencia de pulso). En la literatura27,28, los autores diseñaron un controlador para implementar el control con seguimiento de la trayectoria de velocidad de los vástagos de los motores.
Las válvulas de estrangulamiento investigadas en este trabajo son elementos clave del control del dispositivo de rehabilitación, que debe ser totalmente predecible y fiable debido a su uso futuro por parte de pacientes después de lesiones graves, incluida la columna vertebral. Por lo tanto, se realizaron simulaciones de su trabajo para entender completamente su funcionamiento. El conocimiento de las pruebas de simulación CFD, la válvula de mariposa (diferentes escalas), se hizo necesario para analizar completamente el funcionamiento del dispositivo y completar el diseño planificado del sistema sincronizador de movimiento. El conocimiento del diseño de este tipo de componentes neumáticos está estrictamente protegido por los fabricantes y no está disponible.
El control electrónico29, cuya patente fue concedida, es el sistema de control de la velocidad de extensión de los pistones de los cilindros neumáticos. El diagrama del sistema neumático se muestra en la Fig. 1.
Representación esquemática del sistema de control neumático utilizado para dirigir el dispositivo de rehabilitación patentado por el autor [FluidSIM-P 5.0, Festo: https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5 -guía-del-usuario.htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ].
Una cuestión importante del sistema de control que se muestra en la Fig. 1 son dos grupos de válvulas de retención del acelerador. Ambos grupos constan de cuatro válvulas de retención de mariposa idénticas. Las válvulas de retención del acelerador están correctamente calibradas, configuradas a diferentes alturas de apertura de la válvula.
Durante la extensión de los vástagos del pistón del actuador, el microcontrolador utiliza sensores de posición potenciométricos para leer la diferencia de desplazamiento entre los dos vástagos del pistón.
El microcontrolador lee la diferencia (zona) en el desplazamiento de los vástagos de los actuadores. Luego controla las válvulas de dos puntos que están conectadas con válvulas de retención de estrangulamiento graduadas y debidamente acopladas.
El control electrónico29, se puede utilizar para regular el movimiento concurrente de dos cilindros en dispositivos de rehabilitación. El dispositivo de rehabilitación para ejercicios pasivos de piernas se muestra en la Fig. 2.
Dispositivo de rehabilitación.
El dispositivo de rehabilitación patentado30 (Fig. 2) está diseñado para restaurar la movilidad adecuada de los pacientes, por ejemplo, después de una inmovilización a largo plazo después de la enfermedad de Covid-19. Los pacientes graves con Covid-19 pasan un largo período de tiempo en el hospital31,32. En consecuencia, existe una demanda de dicho dispositivo de rehabilitación. El ejercicio después de la enfermedad de COVID-19 es muy importante. El ejercicio ayuda a prevenir el desgaste muscular, la rigidez de las articulaciones o la trombosis venosa33 y otros efectos secundarios34,35,36.
Para determinar el valor del flujo de aire a través de las diferentes alturas de apertura de la válvula de retención del acelerador, se calibraron las válvulas. Al conectar la válvula al medidor de flujo, seleccionando las alturas de apertura de la válvula apropiadas, se leyó el caudal de aire.
El objetivo de la investigación fue medir el caudal de aire para la altura de apertura adecuada de la válvula de mariposa para garantizar el correcto funcionamiento del sistema neumático de dos actuadores neumáticos. La figura 3 muestra una vista en sección transversal de la válvula de retención del acelerador con una descripción de los componentes clave.
Sección transversal de la válvula de retención del acelerador con los componentes más importantes. Donde: 1—canal de entrada, 2—canal de drenaje, 3—cuerpo de válvula, 4—aguja de control, 5—parte inferior de la aguja de control, 6—parte superior de la aguja de control, 7—cuerpo de válvula interno, 8—parte externa de la aguja de control, 9—cámara de válvula, 10—estrangulador de canal, 11—cámara de drenaje [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021 %20R2&sistema operativo=Windows%20x64].
En la válvula de mariposa (Fig. 3), cambiando la sección transversal (cambiando la resistencia del flujo de aire), podemos controlar su tamaño. Esto significa reducir el caudal de aire independientemente de su dirección. Las agujas (4) cambian la cantidad de estrangulamiento en las válvulas de estrangulamiento con resistencia ajustable.
La Figura 4 a continuación muestra las secciones transversales de cuatro alturas de válvula (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2 }=2,69\veces {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\veces {10}^{-3}\) m, (d) \( {h}_{4}=0\).
Secciones transversales de cuatro alturas de válvula de apertura para \(d=\mathrm{0,175}\times {10}^{-3}\) m: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10} ^{-3}\) metro, (b) \({h}_{2}=2,69\veces {10}^{-3}\) metro, (c) \({h}_{3}= 1.43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h}_{4}=0\). [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical y CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].
La altura de apertura de la válvula de mariposa se cambió por medio de la aguja (Fig. 4). Las alturas de apertura de la válvula se han establecido en los siguientes valores: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{ 2}=2,69\veces {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\veces {10}^{-3}\) m, (d) \ ({h}_{4}=0\).
La figura 5a muestra el banco de pruebas para probar los valores del flujo de aire a través de las diferentes alturas de apertura de la válvula de retención del acelerador. La figura 5b muestra el equipo de prueba.
(a) Diagrama del banco de pruebas con una válvula de retención de estrangulación: 1—fuente de energía—aire comprimido, 2—unidad de preparación de aire, 3—válvula reductora de presión, 4—manómetro, 5—elemento de prueba (válvula de retención de estrangulación) , 6—sensor de flujo; (b) El equipo de prueba. [El dibujo (a) fue creado en el programa: FluidSIM-P 5.0, Festo: https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5-user-guide .htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ].
Se instaló un sensor de flujo 6 en las líneas neumáticas (Fig. 5a arriba) que conducen a la válvula de retención del acelerador. El sensor se utiliza para leer los valores del caudal de aire. El soporte de medición se alimentó con aire comprimido 1, suministrado por la unidad de preparación de aire 2, cuya presión fue regulada por la válvula reductora 3. El manómetro 4 sirve como indicador de los valores de presión del sistema.
La figura 6 muestra un diagrama que ilustra la relación entre el caudal de aire y la altura de apertura de la válvula de mariposa. Se realizaron lecturas para el valor de presión de suministro de \(3,5\times {10}^{5}\) Pa.
Relación entre los valores de apertura del acelerador y las diferentes alturas de apertura de la válvula. Donde: 1\(-{h}_{1}=3,95\veces {10}^{-3}\)m, 2\(-{h}_{2}=2,69\veces {10}^{- 3}\)m, 3\(-{h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\)m, 4 \(-\) \({h}_{4}=0 \).
A una presión de suministro (Fig. 6) de \(3,5\times {10}^{5}\) Pa y la primera altura de apertura de la válvula de mariposa (\(3,95\times {10}^{-3}\) m), el valor del caudal de aire es \(1,36\times {10}^{-5}{\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\), mientras que en la segunda válvula de mariposa altura de apertura (\(2,69\times {10}^{-3}\) m) el valor del caudal de aire es \(1,59\times {10}^{-4} {\mathrm{m}}^{ 3}/\mathrm{s}\). Para la altura de apertura de la tercera válvula de mariposa (\(1,43\times {10}^{-3}\) m), el valor del caudal de aire es \(3,77\times {10}^{-4}{\mathrm{ m}}^{3}/\mathrm{s}\), y para la cuarta altura de apertura de la válvula de mariposa (\(0\) m) el valor del caudal de aire es \(6,67\times {10}^{ -4} {\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\).
Cualquier proceso físico que involucre el flujo de fluidos puede ser descrito por un modelo matemático. Para ello, se utilizan las ecuaciones de Navier Stokes, que incluyen: conservación de la masa Eq. (1), ecuación de energía. (2) y la ecuación de conservación del impulso. (3). Al realizar simulaciones numéricas, un factor importante es la selección de un modelo apropiado que sea lo más cercano posible a los fenómenos reales37.
El aire (gas ideal) que fluye a través de la válvula neumática analizada se trata como un medio continuo. Además, tiene las características de un fluido newtoniano.
Ecuación de conservación de masa:
Ecuación de energía:
Ecuación de conservación del momento:
Ecuación de la ley de los gases ideales:
donde: e—energía específica, p—presión estática, R—constante universal de gas, t—tiempo, T—temperatura, \({u}_{i,j}\)—componente de velocidad de flujo promedio en \({x }_{i,j}\) dirección, \({x}_{i,j}\)—componente de coordenadas, \({\delta }_{ij}\)—tensor de Kronecker de segundo orden, \(\rho \)—densidad, \({\tau }_{ij}\)—tensor de tensión.
El fenómeno de la turbulencia es un tema clave en la dinámica de fluidos, y la precisión de los modelos utilizados se refleja en la corrección de la simulación de flujos turbulentos complejos. Los modelos de turbulencia desarrollados por científicos se validan con datos experimentales para probar su rendimiento en diversas condiciones de flujo37,38. El modelo k-ω SST es similar al modelo estándar k-ω.
La ecuación de transporte para la energía cinética turbulenta k es la siguiente:
Ecuación de transporte para disipación específica de energía cinética de turbulencia \(\omega\):
El valor absoluto de la vorticidad que aparece en la ecuación (6), se define como sigue:
Función mixta F1:
Función auxiliar F2:
Difusión cruzada en el modelo k-ω:
La viscosidad turbulenta se define por la siguiente relación en función de la energía cinética turbulenta y la tasa de disipación unitaria:
donde: \({a}_{1}\)—constante, k—energía cinética turbulenta, \({S}_{ij}\)—tensor de tasa de deflexión media, \(y\)—distancia desde el no más cercano -superficie de deslizamiento, \(\gamma\)—proporción de adiabato de Poisson, \({\mu }_{t}\)—viscosidad de turbulencia, \({\sigma }_{k}\),\({\sigma } _ {\omega }\)—números de Prandtl turbulentos para k y \(\omega\), \(\omega\)—tasa de disipación turbulenta específica, \(\Omega\)—valor medio de vorticidad.
El propósito del análisis de flujo en la válvula de retención de estrangulación fue determinar el valor del flujo de fluido a través de las diferentes alturas de apertura de la válvula de retención de estrangulación. Las simulaciones de flujo del medio de trabajo (fluido) se llevaron a cabo para cuatro alturas diferentes de ranuras de válvulas de mariposa.
Las simulaciones realizadas permitirán obtener información sobre los fenómenos que ocurren durante el flujo de aire a través de varias alturas de la válvula de mariposa.
Ansys (Fluent) es un software común para la simulación de flujo de fluidos39,40. La mecánica de fluidos numérica permite modelar y analizar problemas de flujo complejos, lo que permite una mejor comprensión de los fenómenos analizados y la optimización de las soluciones de diseño existentes, incluidas las válvulas neumáticas.
Los autores del artículo41 utilizaron el software Fluent para estudiar los flujos internos en un HPSV de tipo válvula deslizante. En el artículo 42, se presenta una servoválvula electroneumática de alta presión energéticamente eficiente, donde un min. se realizó en CFD. análisis de campo de flujo. Los autores del artículo43,44 utilizan simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD) para estudiar el flujo en las válvulas de control y las características de las válvulas de aire45,46.
Las simulaciones numéricas del flujo del medio a través de válvulas neumáticas se utilizan ampliamente para evaluar el concepto y optimizar su funcionamiento, así como para comprender los fenómenos físicos que ocurren en soluciones de diseño individuales. Permiten obtener información no sólo sobre los valores locales de magnitudes físicas relevantes, como por ejemplo temperatura o presión, sino también determinar la distribución de parámetros termodinámicos en el volumen considerado (dominio de fluidos). Debido al pequeño tamaño y construcción de algunas válvulas, el uso de los métodos de medición disponibles a veces es problemático o requiere el uso de técnicas de medición avanzadas. Por lo tanto, el uso de métodos numéricos de dinámica de fluidos está justificado en este caso.
Los cálculos numéricos que utilizan métodos CFD (Dinámica de fluidos computacional) son actualmente una técnica computacional en desarrollo dinámico. Estas pruebas son de gran ayuda en la etapa de diseño inicial u optimización y contribuyen a la reducción de la cantidad y los costos de la investigación experimental.
El uso de métodos numéricos de mecánica de fluidos permitió estudiar los fenómenos de flujo dentro de una válvula de retención de estrangulación neumática en diferentes tamaños de espacios de flujo.
A los efectos de las simulaciones informáticas, se preparó la geometría tridimensional simplificada de la válvula de mariposa en el entorno de Ansys SpaceClaim, en función de las dimensiones geométricas reales. El área computacional separada se discretizó usando elementos poli-hexcore en Fluent Meshing (Fig. 7). El uso de elementos de paredes múltiples utilizados en la tecnología Mosaic asegura una transición de alta calidad entre mallas de varios tipos.
Cuadrícula computacional: elementos poliédricos para el caso número 1. [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64] .
Los análisis comparativos realizados muestran47 que el uso de la tecnología Mosaic permite reducir el tamaño de la malla computacional, lo que, combinado con el aumento de la calidad de la malla, contribuye a la reducción del tiempo de cálculo y permite una mejor precisión de la solución47. En las zonas donde se presentan grandes gradientes, la malla de volumen finito se compactó localmente mediante la técnica de adaptación de malla de gradiente, donde el parámetro fundamental fue el gradiente de velocidad del líquido que fluye.
La información detallada sobre el tamaño de malla para los casos analizados se proporciona en la Tabla 1.
El siguiente paso fue definir las condiciones de contorno y determinar los parámetros del fluido que fluye a través de la válvula. Luego se determinaron las condiciones para realizar el análisis numérico.
El análisis del flujo del medio a través de la válvula se realizó con el uso del software Ansys Fluent. El propósito del análisis es determinar las características del flujo. Las pruebas se llevaron a cabo para varios valores de caudal másico y para diferentes alturas de apertura de la válvula de mariposa.
Se realizó la prueba de independencia en las rejillas de malla para encontrar el tamaño adecuado48. Los resultados se muestran en la Tabla 2 para el caso número 1, cuando la altura del espacio es \(3.95\times {10}^{-3}\) m. Los análisis se llevaron a cabo de manera similar para los otros casos considerados. Se probaron tres tamaños de malla para determinar el efecto sobre la velocidad del medio que fluye a través de la válvula.
En base a los resultados obtenidos se concluyó que la solución es independiente del tamaño de malla. Por tanto, para la simulación numérica del primer caso analizado, un tamaño de cuadrícula de 3.105.134.
Definir las condiciones de contorno que permitirán describir correctamente el espectro de fenómenos de flujo que ocurren en la válvula de mariposa analizada es una etapa esencial de la investigación de simulación. Se asumió que los fenómenos analizados son condiciones de estado estacionario. Se seleccionó el tipo de solucionador basado en presión. Las condiciones de contorno se determinaron sobre la base de pruebas experimentales. Se supuso que el valor de la presión de suministro era de 350 kPa. La presión de operación se fijó en 101.325 Pa.
Los valores del caudal másico para alturas de apertura de válvulas individuales se presentan en la Tabla 3.
En la simulación se utilizó un dominio computacional tridimensional. El medio de trabajo, el aire, se describe usando el modelo de gas ideal. Se supuso un valor constante de 300 K para la temperatura en las paredes y una viscosidad constante del fluido. El análisis numérico realizado no tiene en cuenta los fenómenos relacionados con la transferencia de calor. Se asignó una condición límite de entrada de flujo másico a la entrada y una condición de salida de presión a la salida. Se utilizó el modelo de transporte de tensiones de cizalla k − ω SST, desarrollado por Menter37. Este modelo combina las ventajas de los modelos comúnmente utilizados, como el modelo de dos ecuaciones k − ε propuesto por Launder-Sharm y el modelo de dos ecuaciones k − ω propuesto por Wilcox37 y se puede utilizar para modelar fenómenos relacionados con el flujo de fluidos internos49,50 . Se supusieron condiciones de no deslizamiento en todas las paredes de la válvula.
El modelo k − ω SST utilizado ahora es un modelo de turbulencia común utilizado en el análisis numérico. Se basa en el modelo estándar k-ω y en el modelo k − ε. El modelo k − ω es adecuado para simular el flujo en la subcapa viscosa, mientras que el modelo k − ε brinda una mejor representación del comportamiento del flujo en regiones alejadas de la pared. Estas características lo hacen más preciso para una gama más amplia de flujos. Por lo tanto, para modelar el flujo interno a través de la válvula de estrangulamiento-retorno, se decidió elegir el modelo k − ω SST porque permite modelar con mayor precisión los fenómenos tanto dentro de la capa cercana a la pared como fuera de ella. capa de pared en la región de flujo libre del fluido51,52.
Los resultados obtenidos permitieron determinar la distribución de magnitudes físicas relevantes como la presión estática, la velocidad del medio que circula por la válvula o la distribución vectorial de velocidades. Los resultados se muestran en el plano XY, coincidiendo con el eje longitudinal de la válvula.
La simulación numérica (CFD) permite estudiar los fenómenos de flujo dentro de una válvula de retención neumática, con diferentes tamaños de espacios de flujo. Se modelaron las siguientes alturas de abertura de válvula: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69 \times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h} _{4}=0\). La Figura 8 muestra la distribución de velocidades para diferentes alturas de apertura de válvulas.
Distribución de velocidad para diferentes configuraciones de la altura de apertura de la válvula; (a) \({h}_{1}=3,95\veces {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69\veces {10}^{- 3}\) metro, (c) \({h}_{3}=1,43\veces {10}^{-3}\) metro, (d) \({h}_{4}=0\) [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical y CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].
A medida que disminuye el área de la sección transversal, aumenta la velocidad del fluido que fluye. Con base en el análisis de la distribución de velocidades (Fig. 8), se puede ver que las velocidades más altas se obtienen en los canales del estrangulador entre la aguja y el cuerpo interno de la válvula.
La Figura 9 muestra las velocidades máximas de flujo de aire obtenidas en el área de menor área transversal (en el canal de mariposa), para los cuatro casos considerados. En el problema analizado se puede notar un aumento lineal de la velocidad en el entrehierro para las condiciones dadas de operación de la válvula.
Velocidad máxima para varias configuraciones de la altura de apertura de la válvula para: Donde: 1\(-{h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\)m, 2\(-{h}_{ 2}=2,69\veces {10}^{-3}\)m, 3\(-{h}_{3}=1,43\veces {10}^{-3}\)m, 4 \(-\ ) \({h}_{4}=0\) metro.
En la primera altura de apertura de la válvula de mariposa (Fig. 9), la velocidad máxima en el espacio es de 66,0 m/s. A la altura de apertura de la segunda válvula de mariposa, el valor de la velocidad máxima del flujo de aire es de 197,55 m/s. Para la altura de apertura de la tercera válvula de mariposa, el valor de la velocidad máxima es de 337,57 m/s. A la cuarta altura de apertura de la válvula de mariposa, la velocidad máxima del flujo es de 459,13 m/s.
La Figura 10 muestra los cambios en la presión estática que ocurren en la válvula de mariposa para diferentes alturas de apertura de la válvula.
Presión estática para varias configuraciones de la altura de apertura de la válvula. (a) \({h}_{1}=3,95\veces {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69\veces {10}^{- 3}\) metro, (c) \({h}_{3}=1,43\veces {10}^{-3}\) metro, (d) \({h}_{4}=0\) [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical y CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].
La presión estática permite el análisis de pérdidas de presión en el objeto probado. Analizando los cuatro casos de geometría de válvula, se puede observar que el valor máximo de presión estática se da en el canal de entrada de la válvula. Se nota una caída repentina de la presión estática en el canal del estrangulador entre la aguja y el cuerpo interno de la válvula. La disminución de la presión estática va acompañada de un aumento de la velocidad del aire que fluye a través del espacio (Fig. 10), lo que es consistente con la ecuación de Bernoulli.
La Tabla 4 resume los valores promedio de la presión estática a la entrada ya la salida de la válvula analizada, y las pérdidas de presión estática que ocurren en el flujo entre la salida y la entrada a la válvula.
Analizando los resultados obtenidos (Tabla 4), se puede notar que con el cambio en el tamaño del canal de estrangulación, que está relacionado con el aumento del caudal másico, el valor de pérdida de carga aumenta.
La Figura 11 muestra la distribución de velocidad vectorial para los cuatro rangos de apertura de válvulas analizados. Los vórtices producidos están marcados con círculos en las figuras.
Vectores de velocidad para ranuras con una altura de (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69 \times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h} _{4}=0\). [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical y CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].
Los vectores de velocidad (Fig. 11a) permiten indicar áreas caracterizadas por una caída de presión causada por perturbaciones en el flujo. Al analizar los resultados obtenidos, se puede notar que existen zonas en el campo de flujo con turbulencias locales del medio de trabajo que fluye a través de la válvula. También puede observar áreas donde se separa la capa límite. La aparición de perturbaciones en el flujo contribuye al aumento de las pérdidas de presión. La formación de perturbaciones está influenciada por la geometría interna de la válvula; como resultado, cambia la velocidad y la dirección del flujo de aire (p. ej., bordes afilados).
Para el segundo caso de apertura de la válvula (Fig. 11b), se notaron perturbaciones de flujo asimétricas. Se pueden observar vórtices formados tanto en la parte inferior de la cámara de la válvula como en la parte superior de la cámara de la válvula y en la cámara de entrada.
Al analizar la Fig. 11c como en el caso anterior, se notaron vórtices en la cámara de salida. Además, también están presentes en la parte superior de la cámara de válvulas y en la parte inferior de la cámara de válvulas.
También se observaron perturbaciones visibles (Fig. 11d) en el flujo en el cuarto caso bajo examen. Sólo se observaron remolinos en el canal de drenaje.
Al analizar todos los casos considerados (Fig. 11a–d), se puede notar que las perturbaciones de flujo más pequeñas ocurren en el cuarto caso. Por otro lado, las mayores perturbaciones ocurren para la altura de apertura de la segunda válvula. El análisis de los resultados de flujo de la válvula muestra que los campos de alta velocidad en los cuatro casos están ubicados entre el exterior de la aguja y el canal del acelerador.
La Figura 12 muestra el parámetro y+ para los cuatro casos considerados.
Y + para los siguientes casos: (a) siguientes casos: (a) \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_ {2}=2,69\veces {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\veces {10}^{-3}\) m, (d) \({h}_{4}=0\). [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical y CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].
El parámetro y + (función de pared y +), leído para el área más importante de la válvula de mariposa (en la superficie exterior de la aguja de control), no superó el valor de 5. En las áreas restantes, el parámetro y + fue menos de 150.
Los resultados del análisis de flujo obtenidos son de fundamental importancia para la operación del grupo de válvulas ubicadas en el sistema de control de movimiento de los dos actuadores neumáticos en una instalación de rehabilitación.
La Fig. 9 muestra los valores máximos de velocidad del flujo de aire a través de la válvula, obtenidos en la sección más pequeña. Con base en los resultados del análisis numérico, se puede concluir que el flujo de aire alcanza la velocidad transónica para la apertura de la válvula a la altura de \({h}_{3}=1.43\times {10}^{-3} \) m y valor supersónico al abrir la válvula a la altura \({h}_{4}=0\) m. Esto hace que el flujo de aire en esta área se sofoque. En un flujo estrangulado, la velocidad del flujo de aire no aumentará en la constricción (el área con el área de flujo más pequeña), mientras que la caída de presión entre la entrada y la salida de la válvula es significativa. Para los demás casos analizados, al abrir la válvula a una altura \({h}_{1}=3.95\times {10}^{-3}\) m y \({h}_{2}=2.69\ veces {10}^{-3}\) m el aire que fluye a través de la válvula alcanzó velocidades subsónicas. Se recomienda cambiar la altura de apertura de la válvula para el cuarto caso para evitar el flujo de aire a velocidades supersónicas.
Los análisis de flujo influyen en la comprensión de la interacción entre el flujo de medio-aire (medio comprimible) y la geometría de la válvula.
El análisis de flujo no solo explica los mecanismos subyacentes de la dinámica del flujo de la válvula, sino que también proporciona una guía importante sobre los cambios en la intensidad del flujo en las diferentes aberturas de la válvula.
Las pruebas numéricas permitirán escalar adecuadamente el grupo de válvulas de estrangulamiento en el sistema de control del movimiento de dos accionamientos en el dispositivo de rehabilitación, que será objeto de estudios posteriores.
Un tema importante es el uso de válvulas de mariposa en el sistema de control de accionamientos neumáticos para dispositivos de rehabilitación. El sistema de control para el movimiento concurrente de dos actuadores presentado en el artículo se utiliza en un dispositivo de rehabilitación para ejercicios pasivos de los miembros inferiores. Dicho dispositivo está destinado a pacientes con disfunciones locomotoras, principalmente para la rehabilitación de las articulaciones de la rodilla y la cadera. El movimiento simultáneo de ambos miembros inferiores en ejercicios pasivos y activos tiene como objetivo, entre otros, desarrollar y mantener un rango completo de movimiento en las articulaciones, prevenir la formación de contracturas musculares y prevenir úlceras por presión. Este dispositivo también es muy útil para la rehabilitación de pacientes que han desarrollado un curso severo de la enfermedad causada por el virus Covid-19.
El dispositivo de rehabilitación simula el movimiento natural de las extremidades mediante actuadores. El sistema de control utilizado en el dispositivo permite el movimiento simultáneo de dos vástagos de actuadores neumáticos, y el control innovador regula el movimiento simultáneo de dos actuadores.
Por lo tanto, es importante seleccionar un dispositivo de rehabilitación con válvulas de mariposa correctamente calibradas para el sistema de control.
La simulación realizada en el software Ansys Fluent permitió estudiar los fenómenos de flujo a diferentes tamaños de las holguras de las válvulas de mariposa-retención. Se determinaron los campos de velocidad y presión, así como la distribución de velocidad vectorial del fluido que fluye. Los resultados obtenidos permitirán una posible modificación de la geometría de la válvula de retención de estrangulación para obtener una distribución más favorable de las cantidades físicas a diferentes alturas de los espacios de flujo. La mayor caída en la presión estática se observó en el área detrás de la ranura de la válvula de mariposa, lo que por lo tanto conduce a un aumento en la velocidad del aire que fluye a través del canal de la mariposa. Esta situación se aplica a todos los casos analizados. Tanto el caudal másico como el valor de pérdida de presión aumentan junto con el tamaño del canal del acelerador.
Las pruebas numéricas realizadas constituyen la base para futuras investigaciones encaminadas a determinar la geometría óptima de la válvula neumática, utilizando el método Fluent Adjoint Solver, que tiene como objetivo reducir las pérdidas de presión en el flujo.
Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente a pedido razonable.
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Descargar referencias
La Facultad de Ingeniería Mecánica y Aeronáutica, Departamento de Ingeniería Aeroespacial, Universidad Tecnológica de Rzeszow, av. Powstańców Warszawy 8, 35-959, Rzeszów, Polonia
Marta Żyłka y Natalia Marszalek
Instituto de Ingeniería de Materiales, Facultad de Ciencias Naturales, Universidad de Rzeszow, Pigonia 1, 35-310, Rzeszów, Polonia
Wojciech Żyłka
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Conceptualización: M.Ż., NM; metodología: NM, M.Ż.; software: NM, M.Ż., W.Ż.; experimento: M.Ż., NM; validación: NM, M.Ż.; investigación: NM, M.Ż., W.Ż; recursos: M.Ż., NM; escritura: M.Ż., NM, W.Ż.; supervisión: M.Ż., NM, W.Ż.
Correspondencia a Marta Żyłka o Natalia Marszałek.
Los autores declaran no tener conflictos de intereses.
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Żyłka, M., Marszałek, N. & Żyłka, W. Simulación numérica de válvula de retención de mariposa neumática utilizando dinámica de fluidos computacional (CFD). Sci Rep. 13, 2475 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4
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Recibido: 01 Agosto 2022
Aceptado: 06 febrero 2023
Publicado: 11 febrero 2023
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4
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