Análise do fenômeno da cavitação em válvula borboleta usando a fluidodinâmica computacional

Abstract

Resumo: O foco desta pesquisa é a análise computacional da cavitação em válvula borboleta utilizando o software comercial Ansys CFX versão 14. Dentre várias aplicações, a válvula pode ser utilizada no controle da vazão de água para lavagem de gases oriundos do processo de fabricação do aço num conversor LD. Foi estabelecido como parâmetros constantes de simulação, a pressão a montante e jusante respectivamente em 150 e 60 kPa e a temperatura de 80°C. O objetivo deste trabalho é conhecer, através da simulação computacional, os ângulos em que a cavitação torna-se crítica na válvula borboleta, mapeando as áreas de cavitação, que será validada pelo equacionamento da válvula, de acordo com a norma da ISA. Será analisado escoamento do fluído, priorizando a variável pressão e diferencial de pressão através da válvula, variando os ângulos do obturador de 10 em 10 graus, até o ângulo de 70°. Em seguida, serão feitas novas simulações com as temperaturas de 50, 60 e 70 e 90°C, haja vista que, a vaporização da água está diretamente relacionada, não somente com a pressão, mas também com a temperatura do fluído. A escolha desta válvula para estudo dá-se pelo fato de ter uma alta recuperação de pressão a jusante, levando ao colapso as bolhas de vapor, quando a pressão se eleva acima da pressão de vapor da água, resultando no fenômeno físico denominado por cavitação, alvo de análise e mapeamento desta pesquisa. O regime de escoamento do fluído newtoniano é turbulento e utilizou-se a técnica de volumes finitos idealizada por Patankar, para resolução numérica, e software comercial CFX versão 14 da Dinamarca de Fluídos Computacional. Foi utilizada a geometria e condições de contorno operacionais de uma válvula borboleta para investigar as regiões as quais ocorrem possibilidades de desgaste e focos de cavitação.

Abstract: The focus of this study is a computational analysis of cavitation in butterfly valve using a commercial software named Ansys CFX version 14. Among several applications, the valve may be used in controlling water flow for gas washing originating from the washing process in a steelmaking converter LD. Therefore, the constant pressure upstream and downstream espectively at 150 and 60 kPa and the 80ºC, was established as constant simulation parameter. The purpose of this study is find out, using a computer simulation, which angles at the cavitation becomes critical in the butterfly valve, and mapping the areas of cavitation, which will be validated by the valve equation, according to ISA standards. Therefore, the flow of the fluid will be analyzed, prioritizing the variable and the differential constant pressure through the valve by varying the obturator's angles from 10 to 10 degrees, until it comes to a 70 angle. To achieve this purpose, new simulations will be made with temperatures of 50, 60, 70 and 90 degrees, considering that the water vaporization is directly related to not only the pressure but also the temperature of the fluid. In this study, the butterfly valve was chosen because of its high downstream pressure recovery, leading to collapse of the vapor bubbles, when the pressure is elevated above the water vapour pressure, resulting in the physical phenomenon known as cavitation, which is the target analysis and mapping of this study. The Newtonian's flow regime was found turbulent and to numerical solution was used the technique of finite volume designed by Patankar, by using commercial software CFX version 14.0 of Computational Fluid Dynamics. Was used both geometric and operational contour of a butterfly valve project to investigate in which part and conditions of a valve can occur potential wear and cavitation's spots.