Soporte al Usuario de COSMOS/™ -- Nota Técnica Nº 90
ANALISIS DE FLUIDOS (CFD) DE UNA VALVULA DE SEGURIDAD
Productos: COSMOS/DesignSTAR + COSMOS/Flow
Versión: Todas las Versiones
Categoría: Preprocesado, Análisis y Postprocesado
Ultima revisión: Diciembre-2001
-- Descripción | Propiedades | Cargas y CdC | Solución | Gráfica_Convergencia | Resultados | PostProcesado | Conclusiones --
Análisis de Fluidos (CFD) mediante el programa de Análisis por Elementos Finitos COSMOS/Flow de una Válvula de Seguridad generada en un paquete CAD de modelado Sólido 3D por la cual circula agua líquida a Temperatura = 20ºC y de propiedades constantes con una Presión a la Entrada = 3.892E6 Pa y una Presión a la Salida = 101325 Pa.
Modelo Sólido que
representa el Dominio Fluido
(
valvula.ZIP -- 31 kb)
Se desea conocer caudal másico de salida o capacidad de alivio de la válvula, así como las velocidades y el reparto de presiones en la pared de la válvula de descarga, de acuerdo con el esquema de trabajo suministrado:
Esquema del modelo de la
Válvula
Descripción del Problema
La geometría de la válvula se lee automáticamente en COSMOS/DesignSTAR, el pre&postprocesador de COSMOS/Flow. El modelo presenta simetría respecto al plano medio lo cual permite simplificar el problema a la mitad. El modelo se ha mallado con cerca de 85.000 elementos sólidos tetraedros de bajo orden TETRA4 de 4-nodos y 18.000 nodos. La malla se ha refinado "automáticamente" en las zonas donde se presentan curvaturas y cambios bruscos de sección para una mayor precisión de la solución:
Detalle del Modelo de la
Válvula mallado con 18000 nodos y 85.000 elementos TETRA4
Propiedades del Fluido
El Fluido que circula por la válvula es Agua a 20ºC cuyas propiedades son las siguientes :
Propiedades del Fluido
Cargas y Condiciones de Contorno
Las Cargas y Condiciones de Contorno aplicadas sobre la válvula son las siguientes:
 | Presión de Entrada: COSMOS/Flow permite trabajar con Presiones relativas, por tanto se ha aplicado una presión de entrada como la diferencia de presiones, es decir 3.892e6-101325 Pa = 3790675 Pa. |
| Presión de Salida: se ha aplicado presión nula Po= 0.0 Pa en la salida de la válvula. La presión de salida en COSMOS/Flow puede ser tanto las presiones estáticas como absolutas. |
| Condición de Simetría: se aplicado la condición "Slip Wall" que permite que el fluido siga el contorno de la pared pero impide que la atraviese. La diferencia entre la condición "Slip Wall" y las condiciones típicas de simetría por ejemplo VX=0 es que la primera se puede aplicar a cualquier geometría con independencia de la situación de los ejes cartesianos |
Detalle de Cargas y
Condiciones de Contorno aplicadas
sobre la Válvula
Resultados del Análisis de Fluidos (CFD)
Los Parámetros establecidos para el posterior análisis de fluidos CFD son los siguientes:
Parámetros del Análisis
de Fluidos
En el menú "Preferences > Turbulence" se definen los parámetros de control de la solución -- se ha usado las preferencias de Turbulencia por defecto, es decir, el método "k-epsilon" cuyos valores utilizados por defecto son los que aparecen en las imágenes siguientes, pero COSMOS/Flow ofrece modelos de Turbulencia alternativos como son los modelos RNG y "Eddy Viscosity".
El modelo "k-epsilon" se utiliza en general con bastante éxito en las aplicaciones de ingeniería. Sin embargo, este modelo de turbulencia no predice con exactitud la separación de puntos tanto como se requiere algunas veces se requiere. Para mejorar la predicción de la separación sin incrementar la complejidad del análisis y en general la posibilidad de llegar a una solución, otro modelo de 2-ecuaciones llamado RNG está disponible en COSMOS/Flow. En este modelo, las ecuaciones de movimiento se transforman en "wave-number space" y se utiliza la teoría de re-normalización de grupo para derivar las ecuaciones que permiten el cálculo de las "eddy viscosity". Debido a que las ecuaciones tienen una base teórica firme, los resultados obtenidos mediante el modelo RNG son en general más exactos. Sin enbargo, este modelo es menos estable numéricamente y por tanto sujeto a mayores dificultades de convergencia. Lo mejor es empezar el análisis con el modelo "k-epsilon" por defecto y en caso de dificultad cambiar al modelo RNG.
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La siguiente imagen muestra los valores opcionales de postprocesado que COSMOS/Flow es capaz de generar:
Gráficos de Convergencia
Durante el análisis, COSMOS/Flow dispone de un "monitor de convergencia" que mediante una flecha apunta a la ecuación que en ese momento se está resolviendo. Tras varios pasos de solución (steps), se puede apreciar cómo la flecha emplea la mayor parte del tiempo en resolver las ecuaciones de presión. La razón está en que la mayor parte de los flujos de fluidos están dirigidos por la presión. Según nuestra experiencia si se consigue una buena solución para la ecuación de presión, el resto de ecuaciones le seguirán muy pronto. A la inversa, si la solución en presión no es buena, el análisis completo será un desastre. Consiguientemente la mayor parte del tiempo del análisis CFD se empleará en conseguir una buena solución para la ecuación de presión.
Otro aspecto interesante que cabe señalar es que a veces la flecha del calculador no emplea prácticamente nada de tiempo en las ecuaciones de velocidad V y W. Por similitud de las ecuaciones de momento, a veces se puede establecer sólo la velocidad U y usar esta definición para las otras dos ecuaciones V y W.
Gráfico de Convergencia de
las diferentes variables del Análisis de Fluidos CFD.
La gráfica muestra claramente que la solución es convergente.
Valores Residuales y
Gráfico de Convergencia
Resumen de Resultados
Job Name = VALVULA2-Flow1 Date created: Thu Apr 26 12:45:01 2001 Field Variable Results Summary For Iteration 100
___________________________________________________________
*** Calculation Units: (length-mass-time-temp-force-energy)
millimeter-gram-sec-K-microNewton-Joule(Watt)
___________________________________________________________
Var Mean at Max at Min
U Vel -9.19074e+002 14809 +5.36958e+004 10688 -1.78767e+005 mm/s
V Vel +3.60898e+003 15054 +1.00198e+005 12783 -1.39636e+005 mm/s
W Vel +1.34606e+003 4725 +1.08262e+005 10688 -2.75791e+005 mm/s
Press +4.58077e+005 2829 +7.22697e+006 6541 -3.44983e+006 N/m^2
Temp. +2.93000e+002 7249 +2.93000e+002 7250 +2.93000e+002 K or C
TurbK +5.99343e+006 10689 +2.97446e+008 5431 +0.00000e+000 mm^2/s^2
TurbD +9.72557e+009 10689 +1.40329e+012 4335 +4.92569e+002 mm^2/s^3
Scal1 +0.00000e+000 7249 +0.00000e+000 7250 +0.00000e+000
EVisc +9.75361e-001 7861 +1.06806e+001 1229 +2.74133e-003 g/mm-s
ECond +5.01829e+001 1039 +1.66878e+004 1229 +3.34555e-002 W/mm-K
PTotl +6.50716e+005 10688 +6.10656e+007 6541 -3.44983e+006 N/m^2
Dens. +9.98200e-004 7249 +9.98200e-004 7250 +9.98200e-004 g/mm^3
Visc. +1.00300e-003 7249 +1.00300e-003 7250 +1.00300e-003 g/mm-s
Cond. +6.00000e-004 7249 +6.00000e-004 7250 +6.00000e-004 W/mm-K
SpecH +4.18200e+000 7249 +4.18200e+000 7250 +4.18200e+000 J/g-K
Emiss +0.00000e+000 7249 +0.00000e+000 7250 +0.00000e+000
GenT. +1.53972e+003 10689 +1.95362e+005 8889 +4.94615e+000 1/s
Total Mass Flow In = 0 g/s
*** Outlet 1 ***
Node near Minimum X,Y,Z of opening = 1132
Minimum X,Y,Z of opening = -3.973436, 425.700010, 76.292306
MassFlow Out = -7098.42 g/s
Reynolds Number = 267169
Outlet Bulk Pressure = 0 Pa
Outlet Bulk Temperature = 293 K or C
Outlet Mach Number = 5.15396e-007
*** Outlet 2 ***
Node near Minimum X,Y,Z of opening = 7185
Minimum X,Y,Z of opening = -13.435028, 11.536799, -133.700000
MassFlow Out = 7092.11 g/s
Reynolds Number = 357673
Outlet Bulk Pressure = 3.79067e+006 Pa
Outlet Bulk Temperature = 293 K or C
Outlet Mach Number = 9.21366e-007
*** Analysis Statistics:
Input: 38 seconds Analysis: 3866 seconds Output: 11 seconds Total: 3915 seconds
Maximum Dynamic memory: 20845536 bytes
NOTAS
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- El tiempo de cálculo en un ordenador P-II a 266 MHz con 256 MB RAM ha sido de 65 min. -- en un equipo moderno la solución del problema se podría reducir a menos de la mitad !!.
- El caudal másico de salida calculado por COSMOS/Flow es MassFlow OUT = 7092.11 g/s = 7.092 kg/s que para el modelo completo supone un caudal de Q = 14.2 kg/seg -- resultado que concuerda perfectamente con la capacidad de alivio de la válvula esperada.
Postprocesado en COSMOS/DesignSTAR:
Tras finalizar el análisis de fluidos en COSMOS/Flow el control pasa de nuevo a COSMOS/DesignSTAR donde se crean automáticamente en el árbol de visualización las siguientes "carpetas" de resultados de postprocesado de fluidos:
Velocidad
Incluye las siguientes componentes y resultantes:
| Velocidades Relativas (VX, VY, VZ, VRES) |
| Velocidades Absolutas (AVX, AVY, AVZ y AVRES) |
Presión
Incluye:
| Presión Estática Relativa (PRESS) |
| Presión Estática Absoluta (SPRESS) |
| Presión Total Absoluta (TPRESS) |
| Presión Relativa Residual Nodal (RPRESS) |
| Coeficiente de Presión (PCOEFF) |
Turbulencia
Incluye:
| Energía Cinética Turbulenta (TKE), |
| Disipación de Energía Turbulenta (EPS) |
| Intensidad de Turbulencia (TI) |
| Viscosidad Efectiva (VISC) |
| Conductividad Efectiva (COND) |
| Distancia "y+" a la Pared (YPLUS) |
| Tensiones Cortantes en la Pared (WTAU) |
Temperaturas
Incluye:
| Temperatura Estática Absoluta (TEMP) |
| Temperatura Total Absoluta (TTEMP) |
| Gradientes de Temperatura (GRADX, GRADY, GRADZ y GRADN) |
| Entalpía Estática Absoluta (ENTH) |
Fuerzas
Incluye las siguientes componentes y resultantes:
| Fuerzas ejercidas por el fluido sobre las paredes (FX, FY, FZ y FRES) |
| Tensiones cortantes (TAUXY, TAUYZ y TAUZX) |
Resultados Diversos
Incluye:
| Número de Mach (MACHN) |
| Densidad Estática del Fluido (DENS) |
| Fi¡unción de Corriente (STREAM) |
| Variable Escalar (SCAL) |
| Coeficiente de Película (FCOEFF) |
| Flujo de Calor (HFLUX) |
| Variable VOF |
| Deformación Unitaria (STRAIN) |
| Vórtice (VX,VY y VZ) |
| Fracción de Mezcla de Condensados (MIXF) |
Distribución de Presiones
Las siguientes figuras muestran la variación de la presión estática en todo el montaje a lo largo del plano de simetría:
Presión Resultante (Pa) en
CFDisplay -- el postprocesador de COSMOS/Flow
Distribución de Presiones
(Pa) en CFDisplay -- Vista en Planta
Distribución de Presiones
(Pa) en COSMOS/Flow
Distribución de Velocidades
Velocidad Resultante (mm/s)
en CFDisplay -- el postprocesador de COSMOS/Flow
Distribución de
Velocidades (VY, mm/s) en CFDisplay
Distribución de
Velocidades (VZ, mm/s) en CFDisplay
Trazado de Partículas del
Fluido
Fuerza del Fluido sobre el Disco
El programa calcula y representa el empuje ejercido por el Fluido sobre las Paredes de la válvula -- en este caso nos interesa calcular la fuerza del fluido normal al disco. Simplemente se selecciona la opción de representar fuerzas resultantes (FRES) en todo el modelo y a continuación se selecciona la cara del fluido en contacto con el disco y se piden resultados -- el valor del empuje del Fluido en el disco calculado por COSMOS/Flow es FZ = 21 kg -- en la TOTALIDAD del disco la Fuerza Resultante = 42 kg.
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:
Empuje del Fluido sobre las
Paredes de la Válvula
A continuación adjuntamos la Lista Completa de Resultados en fichero de texto Fuerzas.TXT
Conclusión
En resumen, el empuje del Fluido sobre el disco de apoyo del muelle se ha estimado su valor en unos 42 kg -- asímismo, se ha obtenido un caudal másco de descarga de 14.2 kg/s, plenamente de acuerdo con los datos de partida.
En cuanto a la validez y calidad de los resultados obtenidos, los gráficos de convergencia demuestran un comportamiento "plano" al final del proceso de cálculo formado por 100 iteraciones, por lo tanto podemos asegurar que la solución es "razonablemente" válida.
No se han realizado estudios de convergencia tales como reducción del tamaño de elemento ya que esa actuación se escapa del objetivo del análisis que es demostrar las capacidades de análisis de COSMOS/Flow, pero es evidente que una mayor densidad de malla en las zonas próximas al disco e interior de la válvula redundaría en una convergencia de la solución más rápidamente, así como unos valores de resultados más exactos.
El tipo de elemento utilizado es el Tetraedro de 4-nodos -- por supuesto que en una solución real el tipo de elemento más adecuado simepre sería el elemento TETRA10 de alto orden y 10-nodos.
La velocidad de mallado de COSMOS/DesignSTAR (en unos pocos segundos se ha generado una malla de 85.000 elementos TETRA4) junto con la capacidad de asociación geométrica con paquetes CAD de modelado sólido como SolidWorks, SolidEdge y Autodesk INVENTOR hacen de COSMOS/Flow una potente herramienta de análisis de Fluidos CFD !!.
