Investigación sobre el bajo nivel de ruido de la válvula de mariposa (1)
Feb 26, 2024
Resumen: El campo de flujo de la válvula de mariposa se calcula y analiza numéricamente, y se obtienen las características del campo de flujo y la estructura de la corriente de Foucault dentro de la válvula de mariposa. Sobre esta base, se propone una estructura de peine de guía en capas para optimizar el diseño de la placa de la válvula. Los cambios del campo de flujo y las características de la corriente de Foucault en la válvula antes y después del diseño óptimo se compararon y verificaron mediante experimentos. Los resultados experimentales muestran que el diseño optimizado de la válvula de mariposa puede reducir significativamente los niveles de vibración y ruido sin cambiar las características hidráulicas.
1Introduction
A butterfly valve has become one of the fastest-growing valves in recent years due to its simple structure, good fluid control and sealing, small flow resistance, good flow capacity and great adjustable ratio. During the actual investigation, it was found that the butterfly valves currently in use have the problem of excessive vibration and noise. In order to reduce the vibration and noise of the ship piping system, the butterfly valve must be designed and optimized with low noise. The complex unsteady flow structure in the flow field inside the butterfly valve is the direct cause of the vibration noise. Therefore, analyzing the fine structure of the flow field inside the valve, especially the generation and evolution mechanism of vortex structures of different scales and their unsteady characteristics is a key to reducing vibration and noise in the butterfly valve. The general flow rules of the flow field in the butterfly valve are explored by conducting steady calculations on the flow field. On this basis, the valve plate’s geometric form is improved and designed. The flow field characteristics before and after optimization are compared and experimental tests are conducted to verify the reduction of the design. The vibration and noise reduction effect provides technical support for the optimal design of vibration and noise reduction of butterfly valves.
2. Prototipo de válvula de mariposa y diseño mejorado
2.1 Prototipo de válvula de mariposa y características del campo de flujo
El objeto de investigación es la válvula de mariposa marina central DN80. La estructura de esta válvula de mariposa es relativamente simple, principalmente por el cuerpo de la válvula de mariposa y el carrete compuesto por dos partes. Cuerpo de la válvula de mariposa para la estructura de la tubería, y las tuberías de entrada aguas arriba y aguas abajo y la integración de la tubería de salida. El carrete es una parte importante de la trayectoria de flujo de la válvula. El cambio del área de flujo causado por el cambio del ángulo de rotación del carrete determina las características hidráulicas de la válvula. También es parte de la necesidad de investigación y discusión en la optimización del diseño de válvulas.
2.2 Características del campo de flujo de la válvula de mariposa prototipo
Seleccione la abertura típica (ángulo de rotación del carrete de 45 °) de la válvula de mariposa para establecer y calcular el modelo de campo de flujo. Como el flujo de fluido en el cuerpo de la válvula es relativamente complicado, el flujo es muy inestable, propenso a la corriente de Foucault, reflujo, etc. Para garantizar la precisión del cálculo, la entrada de la válvula de mariposa agrega un tubo de entrada de 2 veces la longitud del diámetro de entrada y el tubo de salida aumenta a 6 veces el diámetro de salida para que el flujo en las secciones de entrada y salida se desarrolle completamente y el flujo sea estable. Como se puede ver en el cálculo, la estructura de la corriente de Foucault en la válvula de mariposa tiene un fuerte sentido tridimensional.
Para observar más claramente la estructura de la corriente de Foucault en la válvula de mariposa, la ley Q se usa para mostrar la isosuperficie de la corriente de Foucault en la válvula de mariposa. Q valor de 0.1, energía cinética turbulenta para colorear. La estructura de vórtice después de la placa de la válvula era radial simétrica, en forma de W. En el área de chorro de alta velocidad en el medio del eje de la placa de la válvula, la intensidad de la corriente de Foucault es pequeña debido al pequeño efecto de cizallamiento entre los fluidos. La diferencia de velocidad del fluido que fluye aumenta gradualmente, el efecto de cizallamiento aumenta gradualmente y la intensidad de la corriente de Foucault aumenta gradualmente. El flujo de aire detrás de la placa de la válvula está separado por el chorro de alta velocidad en el medio para formar partes superior e inferior relativamente independientes. Las dos partes del fluido forman una corriente de Foucault que tiene cierta simetría. El área no es solo una corriente de Foucault, sino una estructura de vórtice compuesta de múltiples corrientes parásitas de diferentes tamaños, que ocupan una gran parte de la parte inferior de la cámara de descarga y se difunden en el tubo de descarga, que también afecta el patrón de flujo en el tubo de descarga.
Figura 1 Esquema de la estructura del vórtice interno de la válvula de mariposa prototipo
2.3 Diseño mejorado de válvula de mariposa
Para ajustar la válvula de mariposa, ajuste el flujo cambiando la apertura de la placa de la válvula. El flujo alrededor de la placa de la válvula crea una estructura de vórtice a gran escala detrás de la placa de la válvula, que es la principal fuente de fluctuaciones de presión y ruido de flujo en el campo de flujo. La estructura de peine de guía en capas se agrega a ambos lados de la placa de la válvula para guiar el flujo alrededor del fluido. Al mismo tiempo, se perfora la superficie del peine y se proporciona un cilindro spoiler en la parte inferior del canal de flujo entre los peines. Las corrientes de Foucault a pequeña escala se desplazan para crear aún más flujo. Para lograr el efecto de un campo de flujo uniforme, desempeña el papel de rectificación y eliminación de vórtices. La estructura del peine de guía en capas se muestra en la Figura 2.
Figura 2 peine de guía en capas
2.4 Características mejoradas del campo de flujo del esquema de diseño de la válvula de mariposa
Se analizó la estructura de vórtice del campo de flujo de la válvula de mariposa mejorada con la misma abertura (ángulo de rotación del carrete de la válvula de 45 °). Las condiciones de contorno calculadas son consistentes con los resultados calculados de la válvula de mariposa prototipo. Para la estructura de vórtice, la ley Q también se usa para mostrar la isosuperficie de vórtice en la válvula de mariposa, y la energía cinética turbulenta se usa para colorear. Cuando el valor Q es 0.1, no hay una estructura de vórtice obvia en la válvula. Solo cuando el valor Q es 0.03, aparecerá una estructura de vórtice significativa en la válvula, como se muestra en la Figura 3. Se puede juzgar que el peine de guía estratificado tiene un buen efecto rectificador, que puede controlar significativamente el tamaño y la resistencia de la corriente de Foucault a gran escala después del disco de la válvula, reduciendo así la intensidad de la fuente de ruido que fluye dentro de la válvula.
Figura 3 Diseño mejorado del diagrama de estructura de vórtice de la válvula
2. Prototipo de válvula de mariposa y diseño mejorado
2.1 Prototipo de válvula de mariposa y características del campo de flujo
El objeto de investigación es la válvula de mariposa marina central DN80. La estructura de esta válvula de mariposa es relativamente simple, principalmente por el cuerpo de la válvula de mariposa y el carrete compuesto por dos partes. Cuerpo de la válvula de mariposa para la estructura de la tubería, y las tuberías de entrada aguas arriba y aguas abajo y la integración de la tubería de salida. El carrete es una parte importante de la trayectoria de flujo de la válvula. El cambio del área de flujo causado por el cambio del ángulo de rotación del carrete determina las características hidráulicas de la válvula. También es parte de la necesidad de investigación y discusión en la optimización del diseño de válvulas.
2.2 Características del campo de flujo de la válvula de mariposa prototipo
Seleccione la abertura típica (ángulo de rotación del carrete de 45 °) de la válvula de mariposa para establecer y calcular el modelo de campo de flujo. Como el flujo de fluido en el cuerpo de la válvula es relativamente complicado, el flujo es muy inestable, propenso a la corriente de Foucault, reflujo, etc. Para garantizar la precisión del cálculo, la entrada de la válvula de mariposa agrega un tubo de entrada de 2 veces la longitud del diámetro de entrada y el tubo de salida aumenta a 6 veces el diámetro de salida para que el flujo en las secciones de entrada y salida se desarrolle completamente y el flujo sea estable. Como se puede ver en el cálculo, la estructura de la corriente de Foucault en la válvula de mariposa tiene un fuerte sentido tridimensional.
Para observar más claramente la estructura de la corriente de Foucault en la válvula de mariposa, la ley Q se usa para mostrar la isosuperficie de la corriente de Foucault en la válvula de mariposa. Q valor de 0.1, energía cinética turbulenta para colorear. La estructura de vórtice después de la placa de la válvula era radial simétrica, en forma de W. En el área de chorro de alta velocidad en el medio del eje de la placa de la válvula, la intensidad de la corriente de Foucault es pequeña debido al pequeño efecto de cizallamiento entre los fluidos. La diferencia de velocidad del fluido que fluye aumenta gradualmente, el efecto de cizallamiento aumenta gradualmente y la intensidad de la corriente de Foucault aumenta gradualmente. El flujo de aire detrás de la placa de la válvula está separado por el chorro de alta velocidad en el medio para formar partes superior e inferior relativamente independientes. Las dos partes del fluido forman una corriente de Foucault que tiene cierta simetría. El área no es solo una corriente de Foucault, sino una estructura de vórtice compuesta de múltiples corrientes parásitas de diferentes tamaños, que ocupan una gran parte de la parte inferior de la cámara de descarga y se difunden en el tubo de descarga, que también afecta el patrón de flujo en el tubo de descarga.
Figura 1 Esquema de la estructura del vórtice interno de la válvula de mariposa prototipo
2.3 Diseño mejorado de válvula de mariposa
Para ajustar la válvula de mariposa, ajuste el flujo cambiando la apertura de la placa de la válvula. El flujo alrededor de la placa de la válvula crea una estructura de vórtice a gran escala detrás de la placa de la válvula, que es la principal fuente de fluctuaciones de presión y ruido de flujo en el campo de flujo. La estructura de peine de guía en capas se agrega a ambos lados de la placa de la válvula para guiar el flujo alrededor del fluido. Al mismo tiempo, se perfora la superficie del peine y se proporciona un cilindro spoiler en la parte inferior del canal de flujo entre los peines. Las corrientes de Foucault a pequeña escala se desplazan para crear aún más flujo. Para lograr el efecto de un campo de flujo uniforme, desempeña el papel de rectificación y eliminación de vórtices. La estructura del peine de guía en capas se muestra en la Figura 2.
Figura 2 peine de guía en capas
2.4 Características mejoradas del campo de flujo del esquema de diseño de la válvula de mariposa
Se analizó la estructura de vórtice del campo de flujo de la válvula de mariposa mejorada con la misma abertura (ángulo de rotación del carrete de la válvula de 45 °). Las condiciones de contorno calculadas son consistentes con los resultados calculados de la válvula de mariposa prototipo. Para la estructura de vórtice, la ley Q también se usa para mostrar la isosuperficie de vórtice en la válvula de mariposa, y la energía cinética turbulenta se usa para colorear. Cuando el valor Q es 0.1, no hay una estructura de vórtice obvia en la válvula. Solo cuando el valor Q es 0.03, aparecerá una estructura de vórtice significativa en la válvula, como se muestra en la Figura 3. Se puede juzgar que el peine de guía estratificado tiene un buen efecto rectificador, que puede controlar significativamente el tamaño y la resistencia de la corriente de Foucault a gran escala después del disco de la válvula, reduciendo así la intensidad de la fuente de ruido que fluye dentro de la válvula.
Figura 3 Diseño mejorado del diagrama de estructura de vórtice de la válvula
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