Titolo presentazione

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:
𝑆𝑝𝑜𝑠𝑡𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 =
(𝐹𝑓𝑙𝑜𝑤+
𝑚𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜∙𝑣𝑒𝑙𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜𝑂𝑙𝑑 𝑚𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜∙𝑑𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜𝑂𝑙𝑑
)
𝑡𝑆𝑡𝑒𝑝
𝑡𝑆𝑡𝑒𝑝2
𝑚𝐷𝑖𝑠𝑐𝑜
(𝑘𝑆𝑝𝑟𝑖𝑛𝑔+
)
𝑡𝑆𝑡𝑒𝑝2
+
 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
Impatto
Impatto
Apertura
Apertura
 La condizione di apertura completa della valvola (otturatore fermo) si
Fine compressione
Inizio chiusura
Fine compressione
Inizio chiusura
che sarà pari a quella di impatto cambiata di segno per un coefficiente di
restituzione.
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
Fine compressione
Inizio chiusura
Impatto
Apertura
Risultati
Pressioni
Risultati
Video
Fine compressione
Inizio chiusura
Impatto
Apertura
Risultati
Velocità dell’otturatore
Fine compressione
Inizio chiusura
Impatto
Apertura
Risultati
Forza sull’otturatore
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

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