CFDを利用した制御弁の形状最適化

CFDを利用した制御弁の形状最適化

制御弁は様々な産業で使用されており、様々な流体の流れを制御しています。ARCA Valves 社のプロジェクトでは,ターボ圧縮機のアンチサージバルブとして使用するために最適化された,液体および気体用の DN700 制御弁の最適化を行う必要がありました。

 

課題となったのは、バルブハウジングの柔軟なパラメータ化された形状モデルを設計し、さらに一連の制約(壁の厚さ、フランジの定義)を組み込むことでした。

 

CFD部分には、Autodesk CFDを使用しました。パラメトリック・ジオメトリ・モデルはCAESESで作成しました。

 

最適化の目標は,ターボ圧縮機の吐出能力を超え,圧縮機の安全停止時にパイプラインと熱交換器の内部に閉じ込められたガスを非常に短い時間で解放できるように,高い流量係数 Kvs を設定することでした.操作条件は,バルブの圧力比が0.7で,流れの方向が「フロー・トゥ・オープン」の理想的なガスを緩和することでした。

image.png

図1

形状のモデル化と変化

バルブの入口と出口の流路は,パラメータ化された上下の輪郭によって制御され,その結果,楕円形の断面が掃引される掃引経路となりました.断面の楕円軸の1つは流路の輪郭の距離で定義され,もう1つは自由に変えることができました.フランジの位置、プラグのシートリング、ケージの形状は固定されているが、シートは垂直方向に移動可能である。

image.png

図2: バルブの可変形状モデル

 

image.png

図3: ベースライン(上)と最適化(下)の設計の比較

 

主な効果

・従来の設計に比べ、流量係数Kvsを約25%改善。

・目標としていたKvsを約3%上回ることができました。

・開発期間が大幅に短縮された(設定と最適化の実行で約2週間)。

・従来にないコンセプトを追求することが可能になった。

・物理的なテストの必要性を大幅に減らすことができた。

 

image.png

図4: 初期(上)バルブと最適化(下)バルブのCFD結果の比較

 

image.png

図5: 最終バルブ