Numerische Simulation eines pneumatischen Drosselrückschlagventils mittels Computational Fluid Dynamics (CFD)

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 2475 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Der Artikel stellt eine numerische CFD-Simulation eines Drosselrückschlagventils vor, das in einem innovativen Steuerungssystem für zwei pneumatische Antriebe verwendet wird. Diese Art der Steuerung wird in einem innovativen Rehabilitationsgerät für die unteren Gliedmaßen eingesetzt. Zur Ermittlung der Randbedingungen wurden experimentelle Versuche durchgeführt. Die Drosselklappen am Prüfstand wurden skaliert und die Luftdurchsatzwerte für verschiedene Ventilöffnungshöhen abgelesen. Der Zweck dieses Artikels besteht darin, eine CFD-Simulation einer voreingestellten Rückschlagventildrossel vorzustellen. Die numerische Simulation (CFD) ermöglicht die Untersuchung der Strömungsphänomene im Inneren eines pneumatischen Drossel-Rückschlagventils bei unterschiedlich großen Strömungsspalten. Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichten die Bestimmung der Verteilung physikalischer Größen des statischen Drucks, der Geschwindigkeit des durch das Ventil strömenden Mediums oder der Vektorgeschwindigkeitsverteilung. Die Drosselklappenbaugruppe wurde so skaliert, dass die Bewegung der Kolbenaktuatoren unabhängig von den unterschiedlichen externen Belastungen, die auf jeden von ihnen einwirken, in geeignetem Maße synchronisiert wird. Die Autoren untersuchten Luftströmungsphänomene für verschiedene Ventilöffnungshöhen. Die Simulation lieferte Informationen über das Auftreten von Überschall- und Unterschallströmungsgeschwindigkeiten bei bestimmten Ventilöffnungshöhen.

Bei Systemen mit pneumatischen Antrieben ist eine gleichzeitige Bewegung der Kolbenstangen erforderlich. Bei unterschiedlicher äußerer Belastung ist eine ungleichmäßige Bewegung der Antriebskolbenstangen zu beobachten. Es ist schwierig, die gleiche Verschiebung der Antriebskolbenstangen unter unterschiedlicher Belastung zu erreichen1,2, hauptsächlich aufgrund der Tatsache, dass Druckluft komprimierbar ist3,4,5, und es gibt auch einen Bewegungswiderstand, der durch die Eigenreibung der Antriebskolben6,7 verursacht wird. 8,9,10.

Pneumatiksysteme verwenden Proportionalventile11 und Ein/Aus-Magnetventile12,13, mit denen der Luftstrom reguliert wird5,14. Ein/Aus-Magnetventile werden in der Industrie häufig verwendet, da es sich um pneumatische Komponenten handelt, die kostengünstiger sind als Proportionalventile15,16.

Um die gleichzeitige Bewegung pneumatischer Antriebe zu erreichen, werden beispielsweise Bewegungssynchronisierer17,18 Drossel- oder Drosselrückschlagventile7,19 eingesetzt. Drosselrückschlagventile werden in der Pneumatik in vielen Branchen häufig als Durchflussregelelemente eingesetzt.

Die gebräuchlichsten pneumatischen Elemente zur Regelung des Durchflusses des Arbeitsmediums sind Drosselventile und Drosselrückschlagventile. Der Nachteil dieses Ventils besteht jedoch in der Empfindlichkeit gegenüber Lastkraftänderungen des Kolbenstangenantriebs. Der Fluss des Arbeitsmediums durch den Ventilspalt nimmt mit der Lastkraft20 zu.

Das Drosselrückschlagventil dient zur Regulierung der Geschwindigkeit des Aus- bzw. Einfahrens der Kolbenstangen von Pneumatikzylindern. Es handelt sich um eine Parallelschaltung einer Drossel und eines Rückschlagventils. Bei diesem Ventil wird der Luftstrom nur in eine Richtung gedrosselt. Die Luft strömt durch einen einstellbaren reduzierten Querschnitt in der Drosselklappe und der Strom des Arbeitsmediums schließt das Rückschlagventil. Bei Bewegung in die entgegengesetzte Richtung strömt die Luft bei geöffnetem Rückschlagventil7 frei.

In hydraulischen Systemen werden Bewegungssynchronisierer verwendet. Die Synchronisationsbewegung hydraulischer Antriebe erfolgt üblicherweise über ein Proportionalventil oder Servoventil21. Sie können sich auch mit Hochgeschwindigkeits-Ein/Aus-Ventilen (HSVs)22 treffen. HSV wird beispielsweise zur Druckregelung23, aber auch zur Lageregelung24 eingesetzt. Die Autoren der Arbeit25,26 stellten die Steuerung hydraulischer Antriebselemente durch ein Hochgeschwindigkeits-Ein/Aus-Ventil vor. Die Autoren verwendeten einen kooperativen Synchronisationssteuerungsalgorithmus, PWM–PFM (Pulsweitenmodulation–Pulsfrequenzmodulation). In der Literatur27,28 haben die Autoren einen Controller entworfen, um eine Steuerung mit Verfolgung der Geschwindigkeitsbahn der Kolbenstangen der Antriebe zu implementieren.

Die in dieser Arbeit untersuchten Drosselventile sind Schlüsselelemente der Steuerung des Rehabilitationsgeräts, die aufgrund ihrer zukünftigen Verwendung bei Patienten nach schweren Verletzungen, einschließlich der Wirbelsäule, vollständig vorhersehbar und zuverlässig sein sollten. Daher wurden Simulationen ihrer Arbeit durchgeführt, um ihre Funktionsweise vollständig zu verstehen. Kenntnisse über CFD-Simulationstests und Drosselklappen (unterschiedliche Skalierungen) wurden erforderlich, um den Betrieb des Geräts vollständig zu analysieren und den geplanten Entwurf des Bewegungssynchronisierungssystems abzuschließen. Das Konstruktionswissen dieser Art von pneumatischen Komponenten ist von den Herstellern streng geschützt und nicht verfügbar.

Die elektronische Steuerung29, für die das Patent erteilt wurde, ist das System zur Steuerung der Ausfahrgeschwindigkeit der Pneumatikzylinderkolben. Das Diagramm des pneumatischen Systems ist in Abb. 1 dargestellt.

Schematische Darstellung der pneumatischen Steuerung zur Steuerung des patentierten Sanierungsgeräts des Autors [FluidSIM-P 5.0, Festo: https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5 -user-guide.htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ].

Ein wichtiger Punkt des in Abb. 1 dargestellten Steuerungssystems sind zwei Gruppen von Drosselrückschlagventilen. Beide Gruppen bestehen aus vier identischen Drosselrückschlagventilen. Drosselrückschlagventile sind ordnungsgemäß kalibriert – auf unterschiedliche Ventilöffnungshöhen eingestellt.

Während des Ausfahrens der Kolbenstangen des Aktuators misst der Mikrocontroller mithilfe potentiometrischer Positionssensoren den Verschiebungsunterschied zwischen den beiden Kolbenstangen.

Der Mikrocontroller liest die Differenz (Zone) in der Verschiebung der Kolbenstangen der Aktuatoren. Dann steuert es die Zweipunktventile, die mit abgestuften Drosselrückschlagventilen verbunden und richtig eingerastet sind.

Mit der elektronischen Steuerung29 lässt sich die gleichzeitige Bewegung zweier Zylinder in Rehabilitationsgeräten regeln. Das Rehabilitationsgerät für passive Beinübungen ist in Abb. 2 dargestellt.

Rehabilitationsgerät.

Das patentierte Rehabilitationsgerät30 (Abb. 2) soll die ordnungsgemäße Mobilität von Patienten wiederherstellen, z. B. nach längerer Immobilisierung nach einer Covid-19-Erkrankung. Schwerkranke Patienten mit Covid-19 verbringen einen langen Zeitraum im Krankenhaus31,32. Daher besteht ein Bedarf an einem solchen Rehabilitationsgerät. Bewegung nach einer COVID-19-Erkrankung ist sehr wichtig. Bewegung beugt Muskelschwund, Gelenksteifheit oder Venenthrombose33 und anderen Nebenwirkungen34,35,36 vor.

Um den Wert des Luftstroms durch die unterschiedliche Öffnungshöhe des Drossel-Rückschlagventils zu ermitteln, wurden die Ventile kalibriert. Durch Anschließen des Ventils an den Durchflussmesser und Auswahl der entsprechenden Ventilöffnungshöhen wurde der Luftdurchsatz abgelesen.

Ziel der Forschung war es, den Luftdurchsatz für die entsprechende Öffnungshöhe der Drosselklappe zu messen, um den ordnungsgemäßen Betrieb des pneumatischen Systems zweier pneumatischer Aktuatoren sicherzustellen. Abbildung 3 zeigt eine Querschnittsansicht des Drosselrückschlagventils mit Beschreibung der wichtigsten Komponenten.

Querschnitt des Drosselrückschlagventils mit den wichtigsten Bauteilen. Wobei: 1 – Einlasskanal, 2 – Abflusskanal, 3 – Ventilkörper, 4 – Steuernadel, 5 – unterer Teil der Steuernadel, 6 – oberer Teil der Steuernadel, 7 – interner Ventilkörper, 8 – äußerer Teil der Steuernadel, 9 – Ventilkammer, 10 – Kanaldrossel, 11 – Entwässerungskammer [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021 %20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Bei der Drosselklappe (Abb. 3) können wir durch Änderung des Querschnitts (Änderung des Luftströmungswiderstands) ihre Größe steuern. Dies bedeutet, dass der Luftdurchsatz unabhängig von seiner Richtung reduziert wird. Bei Drosselventilen mit einstellbarem Widerstand wird die Drosselung durch die Nadeln (4) verändert.

Abbildung 4 unten zeigt die Querschnitte von vier Ventilhöhen (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2 }=2,69\times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \( {h}_{4}=0\).

Querschnitte von vier Öffnungsventilhöhen für \(d=\mathrm{0,175}\times {10}^{-3}\) m: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10} ^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69\times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}= 1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h}_{4}=0\). [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Mit der Nadel wurde die Öffnungshöhe der Drosselklappe verändert (Abb. 4). Die Ventilöffnungshöhen wurden auf folgende Werte eingestellt: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{ 2}=2,69\times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \ ({h}_{4}=0\).

Abbildung 5a zeigt den Prüfstand zur Prüfung der Werte des Luftstroms durch die unterschiedlichen Öffnungshöhen der Drossel-Rückschlagklappe. Abbildung 5b zeigt den Prüfstand.

(a) Schema des Prüfstandes mit Drosselrückschlagventil: 1 – Stromquelle – Druckluft, 2 – Luftaufbereitungseinheit, 3 – Druckminderventil, 4 – Manometer, 5 – Prüfelement (Drosselrückschlagventil) , 6 – Durchflusssensor; (b) Der Prüfstand. [Die Zeichnung (a) wurde im Programm: FluidSIM-P 5.0, Festo: https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5-user-guide erstellt .htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ].

An den Pneumatikleitungen (Abb. 5a oben) zum Drosselrückschlagventil wurde ein Durchflusssensor 6 installiert. Der Sensor dient zum Ablesen der Werte des Luftdurchsatzes. Der Messstand wurde von der Luftaufbereitungseinheit 2 mit Druckluft 1 versorgt, deren Druck über das Reduzierventil 3 reguliert wurde. Als Anzeige der Systemdruckwerte dient das Manometer 4.

Abbildung 6 zeigt ein Diagramm, das den Zusammenhang zwischen dem Luftdurchsatz und der Öffnungshöhe der Drosselklappe veranschaulicht. Es wurden Ablesungen für den Versorgungsdruckwert von \(3,5\times {10}^{5}\) Pa vorgenommen.

Zusammenhang zwischen Drosselöffnungswerten und unterschiedlichen Ventilöffnungshöhen. Wobei: 1\(-{h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\)m, 2\(-{h}_{2}=2,69\times {10}^{- 3}\)m, 3\(-{h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\)m, 4 \(-\) \({h}_{4}=0 \).

Bei einem Versorgungsdruck (Abb. 6) von \(3,5\times {10}^{5}\) Pa und der ersten Öffnungshöhe der Drosselklappe (\(3,95\times {10}^{-3}\) m) beträgt der Wert des Luftdurchsatzes \(1,36\times {10}^{-5}{\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\), während an der zweiten Drosselklappe Öffnungshöhe (\(2,69\times {10}^{-3}\) m) beträgt der Wert des Luftdurchsatzes \(1,59\times {10}^{-4} {\mathrm{m}}^{ 3}/\mathrm{s}\). Für die Öffnungshöhe der dritten Drosselklappe (\(1,43\times {10}^{-3}\) m) beträgt der Wert des Luftdurchsatzes \(3,77\times {10}^{-4}{\mathrm{ m}}^{3}/\mathrm{s}\), und für die vierte Drosselklappenöffnungshöhe (\(0\) m) beträgt der Wert des Luftdurchsatzes \(6,67\times {10}^{ -4} {\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\).

Jeder physikalische Prozess, an dem eine Flüssigkeitsströmung beteiligt ist, kann durch ein mathematisches Modell beschrieben werden. Zu diesem Zweck werden die Navier-Stokes-Gleichungen verwendet, die Folgendes umfassen: Massenerhaltung Gl. (1), Energie Gl. (2) und Impulserhaltung Gl. (3). Ein wichtiger Faktor bei der Durchführung numerischer Simulationen ist die Auswahl eines geeigneten Modells, das realen Phänomenen möglichst nahe kommt37.

Die durch das analysierte Pneumatikventil strömende Luft (ideales Gas) wird als kontinuierliches Medium behandelt. Darüber hinaus weist es die Eigenschaften einer Newtonschen Flüssigkeit auf.

Massenerhaltungsgleichung:

Energiegleichung:

Impulserhaltungsgleichung:

Ideale Gasgesetzgleichung:

wobei: e – spezifische Energie, p – statischer Druck, R – universelle Gaskonstante, t – Zeit, T – Temperatur, \({u}_{i,j}\) – mittlere Strömungsgeschwindigkeitskomponente im \({x }_{i,j}\) Richtung, \({x}_{i,j}\) – Koordinatenkomponente, \({\delta }_{ij}\) – Kronecker-Tensor 2. Ordnung, \(\rho \) – Dichte, \({\tau }_{ij}\) – Spannungstensor.

Das Phänomen der Turbulenz ist ein zentrales Thema der Fluiddynamik, und die Genauigkeit der verwendeten Modelle spiegelt sich in der Korrektheit der Simulation komplexer turbulenter Strömungen wider. Von Wissenschaftlern entwickelte Turbulenzmodelle werden anhand experimenteller Daten validiert, um ihre Leistung unter verschiedenen Strömungsbedingungen zu testen37,38. Das k-ω-SST-Modell ähnelt dem Standard-k-ω-Modell.

Die Transportgleichung für die turbulente kinetische Energie k lautet wie folgt:

Transportgleichung für die spezifische Dissipation der kinetischen Energie der Turbulenz \(\omega\):

Der Absolutwert der Vorticity, der in Gleichung (6) erscheint, ist wie folgt definiert:

Mischfunktion F1:

Hilfsfunktion F2:

Kreuzdiffusion im k-ω-Modell:

Die turbulente Viskosität wird durch die folgende Beziehung als Funktion der turbulenten kinetischen Energie und der Dissipationsrate der Einheit definiert:

wobei: \({a}_{1}\) – Konstante, k – turbulente kinetische Energie, \({S}_{ij}\) – Tensor der mittleren Ablenkungsrate, \(y\) – Abstand vom nächsten Nicht -Gleitfläche, \(\gamma\) – Poisson-Adiabatzahl, \({\mu }_{t}\) – Turbulenzviskosität, \({\sigma }_{k}\),\({\sigma } _{\omega }\) – turbulente Prandtl-Zahlen für k und \(\omega\), \(\omega\) – spezifische turbulente Dissipationsrate, \(\Omega\) – mittlerer Vorticity-Wert.

Der Zweck der Strömungsanalyse im Drosselrückschlagventil bestand darin, den Wert des Flüssigkeitsstroms durch die unterschiedlichen Öffnungshöhen des Drosselrückschlagventils zu ermitteln. Die Strömungssimulationen des Arbeitsmediums (Fluid) wurden für vier verschiedene Drosselklappenschlitzhöhen durchgeführt.

Die durchgeführten Simulationen werden es ermöglichen, Informationen über die Phänomene zu erhalten, die beim Luftstrom durch verschiedene Höhen der Drosselklappe auftreten.

Ansys (Fluent) ist eine gängige Software zur Simulation von Flüssigkeitsströmungen39,40. Die numerische Strömungsmechanik ermöglicht die Modellierung und Analyse komplexer Strömungsprobleme und ermöglicht so ein besseres Verständnis der analysierten Phänomene und die Optimierung vorhandener Konstruktionslösungen, einschließlich pneumatischer Ventile.

Die Autoren des Artikels41 verwendeten Fluent-Software, um interne Strömungen in einem HPSV vom Schiebertyp zu untersuchen. Im Artikel42 wird ein energieeffizientes elektropneumatisches Hochdruck-Servoventil vorgestellt, bei dem eine min. wurde im CFD durchgeführt. Strömungsfeldanalyse. Computational Fluid Dynamics (CFD)-Simulationen werden von den Autoren des Artikels43,44 verwendet, um Strömungen in Steuerventilen und die Eigenschaften von Luftventilen zu untersuchen45,46.

Numerische Simulationen des Mediumflusses durch Pneumatikventile werden häufig verwendet, um das Konzept zu bewerten und deren Funktionsweise zu optimieren sowie die physikalischen Phänomene zu verstehen, die bei einzelnen Designlösungen auftreten. Sie ermöglichen es, nicht nur Informationen über die lokalen Werte relevanter physikalischer Größen, wie z. B. Temperatur oder Druck, zu gewinnen, sondern auch die Verteilung thermodynamischer Parameter im betrachteten Volumen (Fluidbereich) zu bestimmen. Aufgrund der geringen Größe und Konstruktion mancher Ventile ist der Einsatz verfügbarer Messmethoden manchmal mühsam oder erfordert den Einsatz fortschrittlicher Messtechniken. Daher ist in diesem Fall der Einsatz numerischer Strömungsdynamikmethoden gerechtfertigt.

Numerische Berechnungen mit CFD-Methoden (Computational Fluid Dynamics) sind derzeit eine sich dynamisch entwickelnde Rechentechnik. Diese Tests sind in der Phase des anfänglichen Entwurfs oder der Optimierung sehr hilfreich und tragen dazu bei, den Umfang und die Kosten experimenteller Forschung zu reduzieren.

Durch den Einsatz numerischer Strömungsmechanikmethoden konnten die Strömungsphänomene innerhalb eines pneumatischen Drossel-Rückschlagventils bei unterschiedlich großen Strömungsspalten untersucht werden.

Für Computersimulationen wurde die vereinfachte dreidimensionale Geometrie der Drosselklappe in der Ansys SpaceClaim-Umgebung auf Basis der tatsächlichen geometrischen Abmessungen erstellt. Der abgetrennte Rechenbereich wurde mithilfe von Poly-Hexcore-Elementen in Fluent Meshing diskretisiert (Abb. 7). Die Verwendung mehrwandiger Elemente in der Mosaiktechnologie gewährleistet einen hochwertigen Übergang zwischen Geweben verschiedener Art.

Rechengitter – polyedrische Elemente für Fall Nummer 1. [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64] .

Die durchgeführten Vergleichsanalysen zeigen47, dass der Einsatz der Mosaik-Technologie eine Reduzierung der Größe des Rechennetzes ermöglicht, was in Kombination mit der Steigerung der Netzqualität zur Reduzierung der Rechenzeit beiträgt und eine bessere Lösungsgenauigkeit ermöglicht47. In den Bereichen, in denen große Gradienten auftreten, wurde das endliche Volumennetz mithilfe der Gradientennetzanpassungstechnik lokal verdichtet, wobei der grundlegende Parameter der Geschwindigkeitsgradient der fließenden Flüssigkeit war.

Detaillierte Informationen zur Maschenweite für die analysierten Fälle finden Sie in Tabelle 1.

Im nächsten Schritt galt es, die Randbedingungen zu definieren und die Parameter des durch das Ventil strömenden Fluids zu bestimmen. Anschließend wurden die Bedingungen für die Durchführung einer numerischen Analyse festgelegt.

Die Analyse des Mediumflusses durch das Ventil wurde mit der Software Ansys Fluent durchgeführt. Der Zweck der Analyse besteht darin, die Strömungseigenschaften zu bestimmen. Die Versuche wurden für verschiedene Werte des Massenstroms und für unterschiedliche Höhen der Drosselklappenöffnung durchgeführt.

Um die richtige Größe zu ermitteln, wurde der Unabhängigkeitstest an den Maschengittern durchgeführt48. Die Ergebnisse sind in Tabelle 2 für Fall Nr. 1 dargestellt, wenn die Spalthöhe \(3,95\times {10}^{-3}\) m beträgt. Für die anderen betrachteten Fälle wurden die Analysen in ähnlicher Weise durchgeführt. Drei Maschenweiten wurden getestet, um die Auswirkung auf die Geschwindigkeit des durch das Ventil fließenden Mediums zu bestimmen.

Basierend auf den erhaltenen Ergebnissen wurde der Schluss gezogen, dass die Lösung unabhängig von der Maschenweite ist. Daher wurde für die numerische Simulation des ersten analysierten Falles eine Gittergröße von 3.105.134 verwendet.

Die Definition der Randbedingungen, die es ermöglichen, das Spektrum der Strömungsphänomene, die in der analysierten Drosselklappe auftreten, korrekt zu beschreiben, ist ein wesentlicher Schritt der Simulationsforschung. Es wurde angenommen, dass es sich bei den analysierten Phänomenen um stationäre Zustände handelt. Es wurde der druckbasierte Lösungstyp ausgewählt. Die Randbedingungen wurden anhand experimenteller Versuche ermittelt. Der Wert des Versorgungsdrucks wurde mit 350 kPa angenommen. Der Betriebsdruck wurde auf 101,325 Pa eingestellt.

Die Werte des Massenstroms für einzelne Ventilöffnungshöhen sind in Tabelle 3 dargestellt.

Bei der Simulation wurde ein dreidimensionaler Rechenbereich verwendet. Das Arbeitsmedium Luft wird mit dem idealen Gasmodell beschrieben. Es wurde ein konstanter Wert von 300 K für die Temperatur an den Wänden und eine konstante Viskosität der Flüssigkeit angenommen. Die durchgeführte numerische Analyse berücksichtigt nicht die Phänomene im Zusammenhang mit der Wärmeübertragung. Dem Einlass wurde eine Massenstrom-Einlassrandbedingung und dem Auslass eine Druckauslassbedingung zugewiesen. Es wurde das von Menter37 entwickelte k − ω SST-Scherspannungstransportmodell verwendet. Dieses Modell kombiniert die Vorteile häufig verwendeter Modelle wie dem von Launder-Sharm vorgeschlagenen k − ε-Zwei-Gleichungsmodell und dem von Wilcox vorgeschlagenen k − ω-Zwei-Gleichungsmodell37 und kann zur Modellierung von Phänomenen im Zusammenhang mit der internen Flüssigkeitsströmung49,50 verwendet werden . An allen Wänden des Ventils wurde von Rutschfestigkeit ausgegangen.

Das verwendete k − ω SST-Modell ist heute ein gängiges Turbulenzmodell, das in der numerischen Analyse verwendet wird. Es basiert auf dem k-ω-Standardmodell und dem k − ε-Modell. Das k − ω-Modell eignet sich gut zur Simulation der Strömung in der viskosen Unterschicht, während das k − ε-Modell eine bessere Darstellung des Strömungsverhaltens in wandfernen Bereichen liefert. Diese Funktionen machen es für ein breiteres Spektrum an Durchflussmengen genauer. Um die interne Strömung durch das Drossel-Rückschlagventil zu modellieren, wurde daher beschlossen, das k − ω SST-Modell zu wählen, da es eine genauere Modellierung der Phänomene sowohl innerhalb der wandnahen Schicht als auch außerhalb der wandnahen Schicht ermöglicht. Wandschicht im freien Fließbereich des Fluids51,52.

Die erhaltenen Ergebnisse ermöglichten die Bestimmung der Verteilung relevanter physikalischer Größen wie statischer Druck, Geschwindigkeit des durch das Ventil strömenden Mediums oder Vektorgeschwindigkeitsverteilung. Die Ergebnisse werden auf der XY-Ebene angezeigt, die mit der Längsachse der Klappe zusammenfällt.

Die numerische Simulation (CFD) ermöglicht die Untersuchung der Strömungsphänomene im Inneren eines pneumatischen Drossel-Rückschlagventils bei unterschiedlich großen Strömungsspalten. Folgende Ventilöffnungshöhen wurden modelliert: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69 \times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h} _{4}=0\). Abbildung 8 zeigt die Geschwindigkeitsverteilung für verschiedene Ventilöffnungshöhen.

Geschwindigkeitsverteilung für verschiedene Konfigurationen der Ventilöffnungshöhe; (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69\times {10}^{- 3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h}_{4}=0\) [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Mit abnehmender Querschnittsfläche nimmt die Geschwindigkeit der strömenden Flüssigkeit zu. Anhand der Analyse der Geschwindigkeitsverteilung (Abb. 8) lässt sich erkennen, dass die höchsten Geschwindigkeiten in den Drosselkanälen zwischen der Nadel und dem inneren Ventilkörper auftreten.

Abbildung 9 zeigt für alle vier betrachteten Fälle die maximalen Luftströmungsgeschwindigkeiten, die sich im Bereich mit der kleinsten Querschnittsfläche (im Drosselkanal) ergeben. Im analysierten Problem ist für die gegebenen Betriebsbedingungen des Ventils ein linearer Anstieg der Geschwindigkeit im Spalt zu erkennen.

Maximale Geschwindigkeit für verschiedene Konfigurationen der Ventilöffnungshöhe für: Wobei: 1\(-{h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\)m, 2\(-{h}_{ 2}=2,69\times {10}^{-3}\)m, 3\(-{h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\)m, 4 \(-\ ) \({h}_{4}=0\) m.

Bei der ersten Öffnungshöhe der Drosselklappe (Abb. 9) beträgt die maximale Geschwindigkeit im Spalt 66,0 m/s. Bei der zweiten Öffnungshöhe der Drosselklappe beträgt der Wert der maximalen Luftströmungsgeschwindigkeit 197,55 m/s. Für die dritte Öffnungshöhe der Drosselklappe beträgt der Wert der Höchstgeschwindigkeit 337,57 m/s. Bei der vierten Öffnungshöhe der Drosselklappe beträgt die maximale Strömungsgeschwindigkeit 459,13 m/s.

Abbildung 10 zeigt Änderungen des statischen Drucks in der Drosselklappe bei verschiedenen Ventilöffnungshöhen.

Statischer Druck für verschiedene Konfigurationen der Ventilöffnungshöhe. (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69\times {10}^{- 3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h}_{4}=0\) [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Der statische Druck ermöglicht die Analyse von Druckverlusten im Prüfobjekt. Bei der Analyse der vier Fälle der Ventilgeometrie lässt sich erkennen, dass der maximale Wert des statischen Drucks im Einlasskanal des Ventils auftritt. Im Drosselkanal zwischen der Nadel und dem inneren Ventilkörper ist ein plötzlicher Abfall des statischen Drucks spürbar. Mit der Abnahme des statischen Drucks steigt die Geschwindigkeit der durch den Spalt strömenden Luft (Abb. 10), was mit der Bernoulli-Gleichung übereinstimmt.

Tabelle 4 fasst die gemittelten Werte des statischen Drucks am Einlass und am Auslass des analysierten Ventils sowie die statischen Druckverluste zusammen, die in der Strömung zwischen Auslass und Einlass zum Ventil auftreten.

Bei der Analyse der erhaltenen Ergebnisse (Tabelle 4) kann festgestellt werden, dass mit der Änderung der Größe des Drosselkanals, die mit der Erhöhung des Massenstroms zusammenhängt, der Druckverlustwert zunimmt.

Abbildung 11 zeigt die Vektorgeschwindigkeitsverteilung für die vier analysierten Ventilöffnungsbereiche. Die erzeugten Wirbel sind in den Abbildungen mit Kreisen markiert.

Geschwindigkeitsvektoren für Schlitze mit einer Höhe von (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69 \times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h} _{4}=0\). [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Geschwindigkeitsvektoren (Abb. 11a) ermöglichen die Anzeige von Bereichen, die durch einen Druckabfall aufgrund von Strömungsstörungen gekennzeichnet sind. Bei der Analyse der gewonnenen Ergebnisse fällt auf, dass es im Strömungsfeld Zonen mit lokalen Turbulenzen des durch das Ventil strömenden Arbeitsmediums gibt. Sie können auch Bereiche beobachten, in denen sich die Grenzschicht ablöst. Das Auftreten von Strömungsstörungen trägt zur Erhöhung der Druckverluste bei. Die Entstehung von Störungen wird durch die innere Geometrie des Ventils beeinflusst – dadurch verändert sich die Geschwindigkeit und Richtung des Luftstroms (z. B. scharfe Kanten).

Beim zweiten Öffnen des Ventils (Abb. 11b) wurden asymmetrische Strömungsstörungen festgestellt. Sowohl im unteren Teil der Ventilkammer als auch im oberen Teil der Ventilkammer und in der Einströmkammer sind Wirbelbildungen zu beobachten.

Bei der Analyse von Abb. 11c wie im vorherigen Fall wurden Wirbel in der Ausflusskammer bemerkt. Darüber hinaus sind sie auch im oberen Teil der Ventilkammer und am Boden der Ventilkammer vorhanden.

Auch im vierten untersuchten Fall wurden sichtbare Störungen (Abb. 11d) in der Strömung festgestellt. Wirbel wurden nur im Entwässerungskanal beobachtet.

Bei der Analyse aller betrachteten Fälle (Abb. 11a–d) fällt auf, dass im vierten Fall die kleinsten Strömungsstörungen auftreten. Die größten Störungen treten dagegen bei der zweiten Ventilöffnungshöhe auf. Die Analyse der Strömungsergebnisse für das Ventil zeigt, dass die Hochgeschwindigkeitsfelder in allen vier Fällen zwischen der Außenseite der Nadel und dem Drosselkanal liegen.

Abbildung 12 zeigt den y+-Parameter für die vier betrachteten Fälle.

Y + für die folgenden Fälle: (a) folgende Fälle: (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_ {2}=2,69\times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m, (d) \({h}_{4}=0\). [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD): https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Der y+-Parameter (Wandfunktion y+), abgelesen für den wichtigsten Bereich der Drosselklappe (an der Außenfläche der Steuernadel), überschritt den Wert 5 nicht. In den übrigen Bereichen betrug der y+-Parameter weniger als 150.

Die erhaltenen Ergebnisse der Strömungsanalyse sind von grundlegender Bedeutung für den Betrieb der Ventilgruppe, die sich im Bewegungssteuerungssystem der beiden pneumatischen Antriebe in einer Sanierungseinrichtung befindet.

Abb. 9 zeigt die maximalen Geschwindigkeitswerte des Luftstroms durch das Ventil, die im kleinsten Abschnitt ermittelt wurden. Basierend auf den Ergebnissen der numerischen Analyse kann gefolgert werden, dass der Luftstrom die transsonische Geschwindigkeit zum Öffnen des Ventils bis zur Höhe \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3} erreicht. \) m und Überschallwert beim Öffnen des Ventils auf die Höhe \({h}_{4}=0\) m. Dadurch wird der Luftstrom in diesem Bereich erstickt. Bei einer gedrosselten Strömung erhöht sich die Luftströmungsgeschwindigkeit in der Verengung (dem Bereich mit der kleinsten Strömungsfläche) nicht, während der Druckabfall zwischen Einlass und Auslass des Ventils erheblich ist. Für die anderen analysierten Fälle gilt: Beim Öffnen des Ventils bis zu einer Höhe \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m und \({h}_{2}=2,69\ mal {10}^{-3}\) m erreichte die durch das Ventil strömende Luft Unterschallgeschwindigkeiten. Es wird empfohlen, die Ventilöffnungshöhe für den vierten Fall zu ändern, um einen Luftstrom bei Überschallgeschwindigkeit zu vermeiden.

Strömungsanalysen beeinflussen das Verständnis der Wechselwirkung zwischen der Strömung des Mediums Luft (kompressibles Medium) und der Geometrie des Ventils.

Die Strömungsanalyse erklärt nicht nur die zugrunde liegenden Mechanismen der Ventilströmungsdynamik, sondern liefert auch wichtige Hinweise zu Änderungen der Strömungsintensität bei verschiedenen Ventilöffnungen.

Numerische Tests werden eine geeignete Skalierung der Gruppe von Drosselventilen im Steuerungssystem der Bewegung zweier Antriebe im Sanierungsgerät ermöglichen, was Gegenstand weiterer Untersuchungen sein wird.

Ein wichtiges Thema ist der Einsatz von Drosselventilen in der Steuerung pneumatischer Antriebe für Rehabilitationsgeräte. Das im Artikel vorgestellte Steuerungssystem für die gleichzeitige Bewegung zweier Aktuatoren wird in einem Rehabilitationsgerät für passive Übungen der unteren Gliedmaßen eingesetzt. Ein solches Gerät ist für Patienten mit Bewegungsstörungen gedacht, vor allem für die Rehabilitation der Knie- und Hüftgelenke. Die gleichzeitige Bewegung beider unterer Gliedmaßen bei passiven und aktiven Übungen zielt unter anderem darauf ab, die volle Beweglichkeit der Gelenke zu entwickeln und aufrechtzuerhalten, die Entstehung von Muskelkontraktionen zu verhindern und Druckgeschwüren vorzubeugen. Dieses Gerät ist auch für die Rehabilitation von Patienten sehr nützlich, die einen schweren Krankheitsverlauf durch das Covid-19-Virus entwickelt haben.

Das Rehabilitationsgerät simuliert mittels Aktoren die natürliche Bewegung der Gliedmaßen. Das im Gerät verwendete Steuerungssystem ermöglicht die gleichzeitige Bewegung zweier Kolbenstangen pneumatischer Antriebe, und die innovative Steuerung regelt die gleichzeitige Bewegung zweier Antriebe.

Daher ist es wichtig, ein Rehabilitationsgerät mit richtig kalibrierten Drosselventilen für das Steuersystem auszuwählen.

Die in der Ansys Fluent-Software durchgeführte Simulation ermöglichte die Untersuchung der Strömungsphänomene bei unterschiedlichen Größen der Drossel-Rückschlagventil-Lücken. Es wurden die Geschwindigkeits- und Druckfelder sowie die Vektorgeschwindigkeitsverteilung des strömenden Fluids bestimmt. Die gewonnenen Ergebnisse ermöglichen eine mögliche Modifikation der Drossel-Rückschlagventil-Geometrie, um eine günstigere Verteilung der physikalischen Größen auf unterschiedlichen Höhen der Strömungsspalte zu erreichen. Der stärkste Abfall des statischen Drucks wurde im Bereich hinter dem Drosselklappenschlitz beobachtet, was zu einer Erhöhung der Geschwindigkeit der durch den Drosselkanal strömenden Luft führt. Diese Situation gilt für alle analysierten Fälle. Sowohl der Massenstrom als auch der Druckverlustwert steigen mit der Größe des Drosselkanals.

Die durchgeführten numerischen Tests bilden die Grundlage für weitere Untersuchungen zur Bestimmung der optimalen Geometrie des Pneumatikventils mithilfe der Fluent Adjoint Solver-Methode, die darauf abzielt, Druckverluste in der Strömung zu reduzieren.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Marta Żyłka und Natalia Marszałek

Institut für Werkstofftechnik, Hochschule für Naturwissenschaften, Universität Rzeszow, Pigonia 1, 35-310, Rzeszów, Polen

Wojciech Żyłka

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Konzeptualisierung: M.Ż., NM; Methodik: NM, M.Ż.; Software: NM, M.Ż., W.Ż.; Experiment: M.Ż., NM; Validierung: NM, M.Ż.; Untersuchung: NM, M.Ż., W.Ż; Ressourcen: M.Ż., NM; Schreiben: M.Ż., NM, W.Ż.; Betreuung: M.Ż., NM, W.Ż.

Korrespondenz mit Marta Żyłka oder Natalia Marszałek.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Żyłka, M., Marszałek, N. & Żyłka, W. Numerische Simulation eines pneumatischen Drosselrückschlagventils mithilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD). Sci Rep 13, 2475 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4

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Eingegangen: 01. August 2022

Angenommen: 06. Februar 2023

Veröffentlicht: 11. Februar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4

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