Csővezetékbe épített fojtótárcsa méretezése és áramlástani elemzése végeselemes módszerrel

Abstract

A szakdolgozat célja egy csővezetékbe épített fojtótárcsa furatátmérőjének meghatározása és áramlástani vizsgálata volt. A fojtótárcsa feladata egy adott csővezetéki ág hidraulikai beszabályozása, vagyis meghatározott tömegáram mellett a szükséges nyomásesés létrehozása volt. A vizsgálat kiindulási adatai egy HYSYS környezetben elkészített rendszerhidraulikai számításból származtak. A munka során áttekintésre kerültek a fojtótárcsák működéséhez kapcsolódó áramlástani összefüggések, a nyomásesés, a helyi veszteségek, a vena contracta jelenség és a kavitáció alapjai. Ezt követően az ISO 5167 szabvány összefüggései alapján analitikus méretezés készült, amely 71,8 mm-es kiindulási furatátmérőt eredményezett. A CFD számítások ANSYS Workbench környezetben, ANSYS CFX megoldóval készültek. A modell háromdimenziós, stacioner áramlási számításként került felépítésre. A közeg 100 °C hőmérsékletű víz volt, amely egyfázisú, összenyomhatatlan folyadékként szerepelt a modellben. A turbulens áramlás leírására SST turbulenciamodellt alkalmaztam, a számítási háló megfelelőségét pedig hálófüggetlenségi vizsgálat támasztotta alá. A paraméteres vizsgálat során a furatátmérő hatását értékeltem a számított nyomásesésre, a belépő oldali nyomásra, a minimális statikus nyomásra és a maximális áramlási sebességre. Az eredmények alapján a furatátmérő csökkentésével a nyomásesés növekedett. Az analitikusan meghatározott 71,8 mm-es furatátmérő nem biztosította a kívánt nyomásesést, ezért numerikus pontosításra volt szükség. A CFD eredmények alapján a megfelelő furatátmérő megközelítőleg a 63,4–64 mm közötti tartományba esik. A célértékhez legközelebb eső eredményt a 63,4 mm-es furatátmérő adta, amely mellett a számított nyomásesés 0,2341 MPa, a belépő oldali nyomás pedig 0,4641 MPa volt. A kavitációs értékelés alapján a 63,4 mm-es furatátmérőnél a minimális abszolút statikus nyomás a 100 °C-os víz telített gőznyomása alá csökkenhet, ezért a kavitáció lehetősége nem zárható ki. Az egyfázisú modell az ilyen hajlam kimutatására alkalmas, de a kavitáció tényleges kiterjedését nem határozza meg. Összességében az analitikus méretezés megfelelő kiindulási becslést adott, de a hidraulikai beszabályozási célú alkalmazásnál CFD vizsgálatra volt szükség a furatátmérő pontosításához. A módszer hasonló fojtótárcsás feladatok előzetes méretezését és numerikus ellenőrzését is támogathatja.