Numerical detection of cavitation in plunger valves

Abstract

Cavitation is a very serious problem for control valves. Besides noise and vibration, cavitation can seriously damage mechanical parts. Experimental costs for cavitation tests are high, especially when the difficulty of testing large sized valves is considered. For these reasons, developing a Computational Fluid Dynamics (CFD) model can be an attractive solution for predicting cavitation. Cavitation; is a phase change event where the bubbles that occur when the fluid pressure drops below the vapor pressure seriously damage the parts of the machines such as pumps, impellers, and valves. The first aim of this research is to determine the onset of cavitation by performing two-phase CFD simulations in plunger valves. Then, several cavitation cages are connected to observe the change at the beginning of cavitation. A cavitation cage is used to protect the valve and valve disc when downstream pressure is too low. As a result of the analysis, it was observed that the cavitation delayed using the cavitation cage. The second purpose of this research is to design an interface program that will present the Loss and Flow Coefficient diagrams obtained from tests and CFD analysis to the user. Each valve has its own flow coefficient. This depends on how the valve is designed to allow flow through the valve. Therefore, the main differences between the different flow coefficients are due to the valve type and of course the valve opening position. The flow coefficient is important to choose the best valve to use in a particular application.

Kavitasyon, kontrol valfleri için zararlı bir olgudur. Gürültü ve titreşimden başlayarak, kavitasyon mekanik parçalarda erozyon ve çukur oluşturabilir. Büyük boyutlu vanaları test etmenin zorlukları düşünüldüğünde bile kavitasyon testleri için deneysel maliyetler yüksektir. Bu nedenlerden dolayı, bir Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) modelinin geliştirilmesi kavitasyonu tahmin etmek için çekici bir çözüm olabilir. Kavitasyon; akışkan basıncı buhar basıncının altına düştüğünde oluşan kabarcıkların pompa, pervane ve vana gibi makinelerin parçalarına ciddi zararlar verdiği bir faz değişikliği olayıdır. Bu araştırmanın ilk amacı iğne vanalarda iki fazlı HAD simülasyonları yapılarak kavitasyon başlangıcını belirlemektir. Ardından birkaç farklı kavitasyon kafesi bağlanarak kavitasyon başlangıcındaki değişimi gözlemlemektir. Aşağı akış basıncının çok düşük olduğu durumlarda vanayı ve vana diskini korumak için bir kavitasyon kafesi kullanılır. Yapılan analizler sonucu kavitasyon kafesi kullanılarak kavitasyonun daha geç başladığı gözlemlenmiştir. Bu araştırmanın ikinci amacı testlerden ve HAD analizlerinden elde edilen Kayıp Katsayısı ve Akış Katsayısı diyagramlarını kullanıcıya sunacak bir arayüz programı tasarlamaktır. Her vananın kendi akış katsayısı vardır. Bu, vananın akışın vanadan geçmesine izin verecek şekilde nasıl tasarlandığına bağlıdır. Bu nedenle, farklı akış katsayıları arasındaki temel farklar, vana tipinden ve tabii ki vananın açılma konumundan kaynaklanmaktadır. Belirli bir uygulama için en iyi vanayı seçmek için akış katsayısı önemlidir. Vana çoğu zaman açık kalacaksa, enerji tasarrufu için muhtemelen düşük yük kaybına sahip bir vana seçilmelidir. Veya bir kontrol vanasına ihtiyaç duyulursa, vananın farklı açılma pozisyonları için katsayı aralığı uygulamanın gerekliliklerine uymalıdır.