Modelování proudění vody a páry ve ventilu s děrovanou kuželkou

• Foto

Voda
Na obr. 1 až 5 je simulováno proudění vody o teplotě 160 °C, tlak na vstupu ventilu 3,6 MPa abs., tlak ve výstupním potrubí za ventilem 1,0 MPa abs. Tlak syté páry při dané teplotě je 0,618 MPa abs. Na obr. 1 je pootevřena pouze první řada děr, proud média míří mírně šikmo dolů do vnitřního prostoru kuželky. Je zřetelně vidět, že k redukci tlaku až na výstupní hodnotu dochází prakticky už v jednotlivých dírkách, čili veškerá kinetická i tlaková energie média se eliminuje v této malé ohraničené oblasti. Tmavě modrá barva, která přísluší tlaku média nižšímu než 0,9 MPa, se vyskytuje pouze uvnitř těchto děr. I nadále si budeme více všímat této oblasti, neboť zde se tlak média může dostat i pod tlak nasycené páry (v našem případě 0,618 MPa abs.), čímž dojde ke vzniku parních bublin. Při jejich zániku při následném zvýšení tlaku nad mez syté páry dochází k vysokofrekvenčnímu kmitání média, které má destrukční účinek na materiál, se kterým je v kontaktu. Tento fenomén je nazýván kavitací. Na obr. 2 je již ze dvou třetin otevřena první řada děr, proudy paprsků vody jsou dány směrem vrtání děr. Dochází k většímu rozvoji lokálního maxima tlaku pod dnem kuželky a kavitační oblast zasahuje téměř celý průřez děr. Na obr. 3 jsou otevřeny první dvě řady děr. Uprostřed kuželky se ve střetu jednotlivých proudů objevuje více vyšších lokálních maxim tlaku. Objevují se taktéž první větší oblasti nízkého tlaku s potencionálním nebezpečím vzniku kavitace i mimo vlastní vrtání děr. Na obr. 4 jsou otevřeny více než čtyři řady děr. Tlakové pole se stává chaotičtějším, ve vnitřním prostoru kuželky se objevuje více lokálních maxim i minim tlaku, kde velice pravděpodobně bude docházet ke kavitaci. Všimněme si nicméně, že oblast potenciálně ovlivněná kavitací zůstává stále ohraničena vnitřním prostorem kuželky, který přímo neovlivňuje funkci ventilu vyrobeného z odolného materiálu. Trajektorie částic se naopak uklidňují, snižuje se víření ve výstupu ventilu. Na obr. 4 je také dobře vidět rozvoj sekundárního centra vyššího tlaku na spodní stěně tělesa ventilu, kam dopadá hlavní proud vody směřující z kuželky dolů. Obr. 5 představuje plné otevření ventilu. Vlivem zvýšeného protitlaku daného hydraulickým odporem výstupní části tělesa dochází k zániku kavitačních oblastí uvnitř vnitřního prostoru kuželky a kavitace se opět omezuje pouze na vnitřní prostor jednotlivých děr. Proudění ventilem se dále uklidňuje.

Obr. 1 – Rozložení rychlostí a tlaků pro vodu, zdvih 4,7 mm

Obr. 2 – Rozložení rychlostí a tlaků pro vodu, zdvih 6,7 mm

Obr. 3 – Rozložení rychlostí a tlaků pro vodu, zdvih 13,4 mm

Obr. 4 – Rozložení rychlostí a tlaků pro vodu, zdvih 33,5 mm

Obr. 5 – Rozložení rychlostí a tlaků pro vodu, zdvih 60,3 mm

Obr. 6 – Rozložení rychlostí a tlaků pro páru, zdvih 4,7 mm

7 – Rozložení rychlostí a tlaků pro páru, zdvih 6,7 mm

Obr. 8 – Rozložení rychlostí a tlaků pro páru, zdvih 13,4 mm

Obr. 9 – Rozložení rychlostí a tlaků pro páru, zdvih 33,5 mm

Obr. 10 – Rozložení rychlostí a tlaků pro páru, zdvih 60,3 mm

Pára
Na obrázcích 6 až 10 je simulováno škrcení přehřáté páry o tlaku 9,5 MPa abs., teplotě 535 °C na vstupu ventilu a tlaku na výstupu 1,1 MPa abs. Na obr. 6 je (stejně jako v případě podle obr. 1) pootevřena pouze první řada děr, proud páry míří mírně šikmo dolů do vnitřního prostoru kuželky. Na rozdíl od vody je díky nižší viskozitě déle zachován tvar a směr jednotlivých paprsků a také se hned od počátku vytváří výrazné lokální tlakové maximum v místě jejich střetu. Trajektorie ve výstupním potrubí jsou daleko přímější.  Na obr. 7 je ze dvou třetin otevřena první řada děr. Stejně jako v předchozím případě je i zde výrazná oblast nižšího tlaku, než je tlak výstupní a zároveň se rozvíjí výrazná tlaková maxima ve střetu jednotlivých proudů. Za povšimnutí stojí i vznik výrazného centrálního proudu, který s vysokou rychlostí dopadá na dno tělesa pod kuželkou. Na obr. 8 jsou otevřeny první dvě řady děr. Dále sílí centrální proud, který teče z výrazného lokálního maxima 6 MPa pod dnem kuželky. Ještě uvnitř kuželky vlivem vysoké rychlosti tlak klesá pod úroveň výstupního tlaku, aby se znovu vyhoupl přes 3 MPa při dopadu na dno tělesa. Na obr. 9 jsou otevřeny již více než čtyři řady děr. Sílící střední proud zabírá stále větší průřez vrtání kuželky. Tlakové pole se stabilizuje, vlivem stoupajícího protitlaku klesá rychlost proudění a tím i rozdíly mezi tlakovým minimem a maximem. Na obr. 10 vidíme plné otevření ventilu. Prakticky celý ventil se dostává do vyššího protitlaku a k expanzi na výstupní tlak dochází až při přechodu do výstupního potrubí. Proudění je stabilizované, trajektorie bez výrazného víření, tlakové pole bez výrazných lokálních extrémů. Uvnitř ventilu je patrný další pokles rychlostí.

Závěr
Uvedený článek ukazuje, jak složitá i zajímavá je problematika proudění tak běžných médií, jako je voda a pára, regulačními armaturami. Zároveň je zřejmé, že bez kvalifikované výpočetní i experimentální podpory lze jen těžko dospět k lepšímu pochopení některých jevů. Po následném experimentálním ověření byla potvrzena shoda výpočtu s experimentem u integrálních hodnot lepší než 5 %.

The modelling of flowing water and steam in valves with punched cones
During the regulation of the flow or pressure of a medium by throttling by means of regulating fittings, we often find places where the use of the simplest types of regulation valves with shaped (parabolic) cones and, of course, common types of stop valves, such as ball valves or cocks, are not sufficient. What happens inside a valve with a punched cone can be evaluated from the series of images in this article, where the trajectories of particles of the medium are displayed in pairs with colour distinguishing the speed values and also the pressure field inside the valve. The scale on the left side always defines ranges of these values. For simplification, for the pressure field, the same range of pressures is always used for the respective medium; for speeds, the range is variable. Each pair of images displays the same status at the same pressure and thermal parameters, and differs depending on the lift of the valve. The article shows how complicated and interesting the issue of flowing of such complicated media is, an example being water and steam through regulation fittings. At the same time, it is evident that, without qualified computer and technological support, it is hardly possible to achieve a better understanding of such phenomena. After consequent experimental verification, the conformity of the calculation for the experiment was confirmed for integral values at better than 5%.

Моделирование течения воды и пара в вентиле с дырчатым конусом
При регулировании напора или давления носителей дросселированием при помощи регулирующей арматуры мы часто попадаем в область, где невозможно использовать только простые типы регулирующих вентилей с параболическим конусом или иную запорную арматуру, такую как шарнирный кран или клапан. Что происходит внутри вентиля с дырчатым конусом, можем увидеть на серии рисунков к этой статье, на которых показаны части носителей в двух разрезах. Цветом указана величина скорости и давления, а так же отличие барического поля внутри вентиля. Шкала на левой стороне показывает эти величины. Для наглядности у барического поля для данного носителя использован всегда один и тот же диапазон давления, у скорости диапазон переменный. Каждая пара рисунков показывает одно и то же состояние при одинаковом давлении и одинаковых температурных параметрах и отличается в зависимости от положения вентиля. Приведённая статья демонстрирует, насколько сложной и интересной является проблематика конвекции таких обычных носителей, какими являются вода и пар, через регулирующую арматуру. Вместе с тем, очевидно, что без современной вычислительной и экспериментальной поддержки достаточно тяжело будет понять некоторые возникающие явления. После экспериментальных проверок были подтверждены расчёты, погрешности составили менее 5%.

Autor

• (red)