بررسی رفتار هیدرواستاتیکی و هیدرودینامیکی شیر پروانه‌ای قطر بزرگ با استفاده از روش‌های عددی و تجربی

نویسندگان

1 دانشگاه تبریز

2 دانشگاه سیستان و بلوچستان

چکیده

در این تحقیق، رفتار هیدرواستاتیکی و هیدرو دینامیکی شیر پروانه‌ای قطر بزرگ و توزیع تنش و تغییر مکان در حالت کاملا بسته و همچنین گشتاور هیدرودینامیکی وارد بر دیسک تحت شرایط مختلف و همچنین در زاویه‌های مختلف دیسک شیر بررسی شده است. به این منظور از روش کوپلینگ حل سیالاتی (CFD) و حل جامداتی(FEM) استفاده شده است. به منظور صحه‌گذاری حل عددی، تغییر مکان نقاط بحرانی دیسک شیر اندازه‌گیری شده و با نتایج عددی مقایسه شده است. همچنین، گشتاورهیدرودینامیکی مدل کوچکتر شیر به صورت تجربی تعیین و با نتایج عددی مقایسه شده که تطبیق خوبی را نشان می‌دهد. نتایج نشان می‌دهد که بیشترین تنش به محور شیر در حالت کاملا بسته شیر وارد می‌شود و گشتاور هیدرودینامیکی وارد بر دیسک شیر در زاویه‌های نزدیک به حالت کاملا باز به ماکزیمم مقدار خود می‌رسد. علاوه بر این، تاثیر عوامل مختلف از جمله خروج از مرکز دیسک، جهت جریان و شکل دیسک شیر بر گشتاور هیدرودینامیکی بر روی مدل واقعی بررسی شده است. به این ترتیب الگوی مناسبی برای تحلیل عددی شیر های پروانه ای قطر بزرگ تدوین شده که در طراحی تمامی شیر های مشابه، می تواند مورد استفاده سازندگان قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Investigating the hydrostatic and hydrodynamic behaviour of large size butterfly valves using experimental and numerical methods

نویسندگان [English]

  • Aziz Shokuhi 1
  • Farid Vakili-Tahami 1
  • Mohammad Zehsaz 1
  • Akbar Shokuhi 2
چکیده [English]

In this paper, c. For this purpose, stress distribution and deformation of the major parts of the valve and also, the hydrodynamic torque, which is applied to the valve-disk, have been calculated at different opening angles of the disk. To carry out the numerical analysis, coupled Computational Fluid Dynamics (CFD) and Finite Element based solid mechanics solution methods have been used. To validate the numerical results, the displacements of some critical points on the valve-disk have been measured and the results are compared with those obtained using numerical solution. Also, the hydrodynamic torque of a model valve has been measured using an experimental rig and the data are compared with the numerical results. Both comparisons show good agreement and approve the accuracy of the numerical solution method. The results show that maximum stress occurs at the valve shaft when it is fully closed and, hydrodynamic torque exerted on the disk becomes maximum when the valve is at almost fully open angle. The effect of different parameters such as disk-off set, flow direction and shape of the valve-disk on the hydrodynamic torque of the valve has been investigated. In this process, a modeling method to study the hydro dynamic behaviour of large size butterfly valves has been developed which can be implemented in other case studies by the manufacturers.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Large size butterfly valves
  • Hydrodynamic behaviour
  • Hydrodynamic torque
  • Coupled Computational Fluid Dynamics

 

[1]     Eom K.)  1988), “Performance of Butterfly Valves as a Flow Controller”, Journal of Fluids Engineering, Trans. ASME, Journal of Fluids Engineering, Vol. 110, pp 16-19.

 

[2]     Morris M. J.و Dutton J. C. (1989), “Aerodynamic Torque Characteristics of Butterfly Valves in Compressible Flow”, ASME J. Fluids Eng., 111, pp.392-399.

 

[3]     Kimura T., Tanaka T., Fujimoto K., Ogawa K. (1995), “Hydraulic Characteristics of Butterfly Valve- Prediction of Pressure Loss Characteristics”, Elsevier Science B.V., ISA Transactions, 34 (4) pp 319-326.

 

[4]     Kimura T., Ogawa K. (1995), “Hydrodynamic Characteristics of a Butterfly Valve- Prediction of Torque”, Elsevier Science B.V., 34 (4) pp 327-333.

 

[5]     Huang C., Kim R. H. (1996), “Three-dimensional Analysis of Partly Open Butterfly Valve Flows”, Journal of Fluids Engineering, Trans. ASME, Vol. 118, pp 562-568.

 

 

[6]     Song X. G., Wang L., Park Y. C. (2009), “Fluid and structural Analysis of a Large Diameter Butterfly Valve”, Journal of Advanced Manufacturing Systems, 8 (1) pp 81-88.

 

[7]     Song X. G., Wang L., Baek S. H., Park Y. C. (2009), “Multidisciplinary optimization of a butterfly valve”, ISA Transactions 48, 370-377.

 

[8]     Leutwyler Z., Dalton C. (2006), “Computational Study of Torque and Forces Due to Compressible Flow on a Butterfly Valve Disk in Mid-stroke Position”, Journal of Fluids Engineering, pp 128-133 (2006) 1074-1083.

 

[9]     Park J. Y., Chung M. K. (2006), “Study on Hydrodynamic Torque of a Butterfly Valve”, Journal of Fluids Engineering, 128 (1) pp 190-196.

 

[10] Yang Bo- S., Hwang W. W., Ko M. H., Lee S. J. (2005), “Cavitation Detection of Butterfly Valve Using Support Vector”, Journal of Sound and Vibration, 287 (1) pp 25-43.

 

[11] Kalsi M.S., Eldiwany B., Sharma V., Richie A. (2004), “Effect of Butterfly Valve Shape Variations on Torque Requirements for Power Plant, Eighth NRC/ASME Symposium on Valve and Pump Testing, Washington, D.C”

 

[12] NaseradinMousavi P., Nataraj C. (2011), “Nonlinear mathematical modeling of butterfly valves driven by solenoid actuators” J. Appl. Math. Model; 35(5), pp 2324–35.

 

[13] Naseradinmousavi P., Nataraj C. (2012), “Transient chaos and crisis phonemona in butterfly valves driven by solenoid actuators” Commun Nonlinear Sci Numer Simulat, doi: 10.1016/j.cnsns.

 

[14] Guan X., Chul Park Y.(2007), “Numerical Analysis of Butterfly valve- Prediction of Flow Coefficient and Hydrodynamic Torque Coefficient”, Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science, 24-26 October, San Francisco, USA.

 

[15] Henderson A.D., Sargison J.E., Walker G.J., Haynes J. (2007), “A numerical study of the Flow through a safety butterfly valve in a Hedro-electric power scheme”, 16th Australasian Fluid Mechanics Conference Crown Plaza, Gold Coast, Australia.

 

[16] Mohammadi B., Pironneau O. (1994), “Analysis of the K-Epsilon Turbulence Model”, (Research in Applied Mathematics),John Wiley & sons Ltd (Import), Masson, Paris.

 

[17] American Water Works Association (AWWA). (2000), "Standard for Rubber-Seated Butterfly Valves", ANSI/AWWA C504-00, Revision of ANSI/AWWA C504-94.

 

[18] American Water Works Association (AWWA), (2001). "Butterfly valves: Torque, Head Loss and Cavitation Analysis", Technical Report M49, American Water Works Association.

 

 

[19]  Ball J.W., Tullis J.P. (1973), “Application Of Butterfly Valves for Free Discharge, Minimum Pressure Drop, and for Choking Cavitation.Div”, ASCE, Vol. 99, No. HY9, Proc. Paper 9993, pp 1303-1318.

 

[20] Vakili-Tahami F.,  Zehsaz M., Mohammadpour M., Vakili-Tahami A. (2012), “Analysis of the Hydrodynamic Torque Effects on Large Size Butterfly Valves and Comparing Results with AWWA C504 Standard Recommendations”, Journal of Mechanical Science and Technology, 26 (9) pp 1~8.