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Jul 20, 2023

Simulation numérique d'un clapet anti-retour d'étranglement pneumatique à l'aide de la dynamique des fluides computationnelle (CFD)

Rapports scientifiques volume 13,

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2475 (2023) Citer cet article

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L'article présente une simulation numérique CFD d'un clapet anti-retour d'étranglement utilisé dans un système de contrôle innovant pour deux entraînements pneumatiques. Ce type de commande est utilisé dans un dispositif innovant de rééducation des membres inférieurs. Afin de déterminer les conditions aux limites, des essais expérimentaux ont été réalisés. Les vannes d'étranglement sur le banc d'essai ont été mises à l'échelle et les valeurs de débit d'air ont été lues pour différentes hauteurs d'ouverture de vanne. Le but de cet article est de présenter une simulation CFD d'un clapet anti-retour préréglé. La simulation numérique (CFD) permet d'étudier les phénomènes d'écoulement à l'intérieur d'un clapet anti-retour pneumatique, avec différentes tailles d'entrefers. Les résultats obtenus ont permis de déterminer la distribution des grandeurs physiques de pression statique, la vitesse du fluide traversant la vanne, ou la distribution vectorielle de vitesse. L'ensemble de papillon des gaz a été mis à l'échelle pour un degré approprié de synchronisation du mouvement des actionneurs de piston indépendamment des différentes charges externes agissant sur chacun d'eux. Les auteurs ont étudié les phénomènes d'écoulement d'air pour différentes hauteurs d'ouverture de soupape. La simulation a fourni des informations sur l'apparition de vitesses d'écoulement supersoniques et subsoniques à des hauteurs d'ouverture de vanne spécifiques.

Dans les systèmes où des entraînements pneumatiques sont utilisés, un mouvement simultané des tiges de piston est nécessaire. Lorsqu'il existe une charge externe différente, un mouvement irrégulier des tiges de piston d'entraînement est observé. Il est difficile d'obtenir le même déplacement des tiges de piston d'entraînement sous différentes charges1,2, principalement en raison du fait que l'air comprimé est compressible3,4,5, et il existe également une résistance au mouvement causée par l'auto-frottement des pistons d'entraînement6,7,8,9,10.

Les systèmes pneumatiques utilisent des vannes proportionnelles11 et des électrovannes marche/arrêt12,13, avec lesquelles réguler le débit d'air5,14. Les électrovannes marche/arrêt sont couramment utilisées dans l'industrie car ce sont des composants pneumatiques moins coûteux que les vannes proportionnelles15,16.

Pour obtenir le mouvement simultané des entraînements pneumatiques, par exemple, des synchroniseurs de mouvement17,18 papillon ou clapets anti-retour7,19 sont utilisés. Les clapets anti-retour à étranglement sont largement utilisés en pneumatique comme éléments de contrôle de débit dans de nombreuses industries.

Les éléments pneumatiques les plus couramment utilisés pour réguler le débit du fluide de travail sont les vannes d'étranglement et les clapets anti-retour. Cependant, l'inconvénient de cette vanne est la sensibilité aux variations de la force de charge de l'entraînement de la tige de piston. Le débit du fluide de travail à travers l'entrefer de la soupape augmente avec la force de charge20.

Le clapet anti-retour papillon est utilisé pour réguler la vitesse d'extension ou de rétraction des tiges de piston des vérins pneumatiques. Il s'agit d'une connexion parallèle d'un papillon et d'un clapet anti-retour. Dans cette vanne, le débit d'air est étranglé dans un seul sens. L'air s'écoule à travers une section réduite réglable dans le papillon des gaz et le flux du fluide de travail ferme le clapet anti-retour. En sens inverse, l'air circule librement avec le clapet anti-retour ouvert7.

Dans les systèmes hydrauliques, des synchroniseurs de mouvement sont utilisés. Le mouvement de synchronisation des entraînements hydrauliques est généralement effectué par une vanne proportionnelle ou une servovalve21. Vous pouvez également rencontrer des vannes tout ou rien à grande vitesse (HSV)22. HSV est utilisé, par exemple, pour le contrôle de la pression23, ainsi que pour le contrôle de la position24. Les auteurs de l'article25,26 ont présenté le contrôle des éléments d'entraînement hydrauliques via une vanne marche-arrêt à grande vitesse. Les auteurs ont utilisé un algorithme de contrôle de synchronisation coopératif, PWM – PFM (modulation de largeur d'impulsion – modulation de fréquence d'impulsion). Dans la littérature27,28, les auteurs ont conçu un contrôleur pour mettre en œuvre un contrôle avec suivi de la trajectoire de vitesse des tiges de piston des entraînements.

Les vannes d'étranglement étudiées dans cet article sont des éléments clés du contrôle du dispositif de rééducation, qui devrait être entièrement prévisible et fiable en raison de son utilisation future par les patients après des blessures graves, y compris la colonne vertébrale. Par conséquent, des simulations de leur travail ont été réalisées pour bien comprendre leur fonctionnement. La connaissance des tests de simulation CFD, papillon des gaz (à différentes échelles), est devenue nécessaire afin d'analyser complètement le fonctionnement de l'appareil et de compléter la conception prévue du système de synchronisation de mouvement. La connaissance de la conception de ce type de composants pneumatiques est strictement protégée par les fabricants et n'est pas disponible.

La commande électronique29, pour laquelle le brevet a été délivré, est le système de contrôle de la vitesse d'extension des pistons des vérins pneumatiques. Le schéma du système pneumatique est illustré à la Fig. 1.

Représentation schématique du système de commande pneumatique utilisé pour piloter le dispositif de rééducation breveté de l'auteur [FluidSIM-P 5.0, Festo : https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5-user-guide.htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ].

Un problème important du système de commande représenté sur la figure 1 concerne deux groupes de clapets anti-retour d'étranglement. Les deux groupes se composent de quatre clapets anti-retour identiques. Les soupapes d'étranglement sont correctement calibrées - réglées à différentes hauteurs d'ouverture de soupape.

Lors de l'extension des tiges de piston de l'actionneur, le microcontrôleur utilise des capteurs de position potentiométriques pour lire la différence de déplacement entre les deux tiges de piston.

Le microcontrôleur lit la différence (zone) dans le déplacement des tiges de piston des actionneurs. Ensuite, il contrôle les vannes à deux points qui sont connectées à des clapets anti-retour à étranglement gradués et correctement engagées.

La commande électronique29, peut être utilisée pour réguler le mouvement simultané de deux vérins dans les appareils de rééducation. Le dispositif de rééducation pour les exercices passifs des jambes est illustré à la Fig. 2.

Appareil de rééducation.

Le dispositif de rééducation breveté30 (Fig. 2) est conçu pour restaurer une bonne mobilité des patients, par exemple après une immobilisation de longue durée suite à la maladie Covid-19. Les patients gravement malades atteints de Covid-19 passent une longue période de temps à l'hôpital31,32. Par conséquent, il existe une demande pour un tel dispositif de rééducation. L'exercice après la maladie COVID-19 est très important. L'exercice aide à prévenir la fonte musculaire, la raideur articulaire ou la thrombose veineuse33 et d'autres effets secondaires34,35,36.

Afin de déterminer la valeur du débit d'air à travers les différentes hauteurs d'ouverture du papillon des gaz, les soupapes ont été calibrées. En connectant la vanne au débitmètre, en sélectionnant les hauteurs d'ouverture de vanne appropriées, le débit d'air a été lu.

L'objectif de la recherche était de mesurer le débit d'air pour la hauteur d'ouverture appropriée du papillon des gaz afin d'assurer le bon fonctionnement du système pneumatique de deux actionneurs pneumatiques. La figure 3 montre une vue en coupe du clapet anti-retour d'étranglement avec une description des composants clés.

Coupe transversale du clapet anti-retour papillon avec les composants les plus importants. Où : 1—canal d'entrée, 2—canal de drainage, 3—corps de vanne, 4—aiguille de commande, 5—partie inférieure de l'aiguille de commande, 6—partie supérieure de l'aiguille de commande, 7—corps de vanne interne, 8—partie externe de l'aiguille de commande, 9—chambre de vanne, 10—étrangleur de canal, 11—chambre de drainage [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD) : https://download.ansys .com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Dans le papillon des gaz (Fig. 3), en modifiant la section (en modifiant la résistance au flux d'air), nous pouvons contrôler sa taille. Cela revient à réduire le débit d'air quelle que soit sa direction. La quantité d'étranglement dans les vannes d'étranglement à résistance réglable est modifiée par les aiguilles (4).

La figure 4 ci-dessous montre les coupes transversales de quatre hauteurs de soupape (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) \({h}_{ 4}=0\).

Coupes transversales de quatre hauteurs d'ouverture de soupape pour \(d=\mathrm{0,175}\times {10}^{-3}\) m : (a) \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m, (b) \({h}_{2}=2,69\times {10}^{-3}\) m, (c) \({h}_{3}=1,4 3\fois {10}^{-3}\) 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].

La hauteur d'ouverture du papillon des gaz a été modifiée au moyen de l'aiguille (Fig. 4). Les hauteurs d'ouverture des vannes ont été définies sur les valeurs suivantes : (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) \({h}_{ 4}=0\).

La figure 5a montre le banc d'essai pour tester les valeurs du débit d'air à travers les différentes hauteurs d'ouverture du papillon des gaz. La figure 5b montre le banc d'essai.

(a) Schéma du banc d'essai avec un clapet anti-retour : 1—source d'alimentation—air comprimé, 2—groupe de préparation d'air, 3—détendeur, 4—manomètre, 5—élément d'essai (clapet anti-retour), 6—capteur de débit ; (b) Le banc d'essai. [Le dessin (a) a été créé dans le programme : FluidSIM-P 5.0, Festo : https://www.festo-didactic.com/int-en/services/printed-media/manuals/fluidsim-5-user-guide.htm?fbid=aW50LmVuLjU1Ny4xNy4zMi44MjguNzc1OQ].

Un capteur de débit 6 a été installé sur les conduites pneumatiques (Fig. 5a ci-dessus) menant au papillon des gaz. Le capteur permet de lire les valeurs du débit d'air. Le support de mesure était alimenté en air comprimé 1, fourni par l'unité de préparation d'air 2, dont la pression était régulée par le détendeur 3. Le manomètre 4 sert d'indicateur des valeurs de pression du système.

La figure 6 montre un schéma illustrant la relation entre le débit d'air et la hauteur d'ouverture du papillon des gaz. Des lectures ont été faites pour la valeur de pression d'alimentation de \(3.5\times {10}^{5}\) Pa.

Relation entre les valeurs d'ouverture du papillon et les différentes hauteurs d'ouverture des soupapes. Où : 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 \(-\) \({h}_{4}=0\).

À une pression d'alimentation (Fig. 6) de \(3,5\times {10}^{5}\) Pa et à la première hauteur d'ouverture du papillon des gaz (\(3,95\times {10}^{-3}\) m), la valeur du débit d'air est de \(1,36\times {10}^{-5}{\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\), tandis qu'à la deuxième hauteur d'ouverture du papillon des gaz (\(2 0,69\times {10}^{-3}\) m) la valeur du débit d'air est \(1,59\times {10}^{-4} {\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\). Pour la troisième hauteur d'ouverture du papillon des gaz (\(1,43\times {10}^{-3}\) m), la valeur du débit d'air est \(3,77\times {10}^{-4}{\mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\), et pour la quatrième hauteur d'ouverture du papillon des gaz (\(0\) m) la valeur du débit d'air est \(6,67\times {10}^{-4} {\ mathrm{m}}^{3}/\mathrm{s}\).

Tout processus physique impliquant un écoulement de fluide peut être décrit par un modèle mathématique. À cette fin, les équations de Navier Stokes sont utilisées, qui comprennent : la conservation de la masse Eq. (1), énergie Eq. (2) et la conservation de la quantité de mouvement Eq. (3). Lors de la réalisation de simulations numériques, un facteur important est la sélection d'un modèle approprié qui sera aussi proche que possible des phénomènes réels37.

L'air (gaz parfait) traversant la vanne pneumatique analysée est traité comme un fluide continu. De plus, il présente les caractéristiques d'un fluide newtonien.

Équation de conservation de masse :

Équation énergétique :

Équation de conservation de la quantité de mouvement :

Équation de la loi des gaz parfaits :

où : e—énergie spécifique, p—pression statique, R—constante universelle des gaz, t—temps, T—température, \({u}_{i,j}\)—composante moyenne de vitesse d'écoulement dans la direction \({x}_{i,j}\), \({x}_{i,j}\)—composante de coordonnées, \({\delta }_{ij}\)—tenseur de Kronecker de 2ème ordre, \(\rho\)—densité, \({\tau }_{ij}\)—tenseur de contrainte.

Le phénomène de turbulence est un enjeu clé en dynamique des fluides, et la précision des modèles utilisés se traduit par la justesse de la simulation d'écoulements turbulents complexes. Les modèles de turbulence développés par les scientifiques sont validés par rapport à des données expérimentales pour tester leurs performances dans diverses conditions d'écoulement37,38. Le modèle k-ω SST est similaire au modèle standard k-ω.

L'équation de transport pour l'énergie cinétique turbulente k est la suivante :

Équation de transport pour la dissipation spécifique de l'énergie cinétique de la turbulence \(\omega\) :

La valeur absolue du tourbillon apparaissant dans l'équation (6), est définie comme suit :

Fonction mixte F1 :

Fonction auxiliaire F2 :

Diffusion croisée dans le modèle k-ω :

La viscosité turbulente est définie par la relation suivante en fonction de l'énergie cinétique turbulente et du taux de dissipation unitaire :

où : \({a}_{1}\)—constante, k—énergie cinétique turbulente, \({S}_{ij}\)—tenseur du taux de déviation moyen, \(y\)—distance de la surface antidérapante la plus proche, \(\gamma\)—rapport d'adiabate de Poisson, \({\mu }_{t}\)—viscosité de turbulence, \({\sigma }_{k}\),\({\sigma }_{\ omega }\)—nombres de Prandtl turbulents pour k et \(\omega\), \(\omega\)—taux de dissipation turbulent spécifique, \(\Omega\)—valeur moyenne de tourbillon.

Le but de l'analyse du débit dans le clapet anti-retour papillon était de déterminer la valeur du débit de fluide à travers les différentes hauteurs d'ouverture du clapet anti-retour papillon. Les simulations d'écoulement du fluide de travail (fluide) ont été effectuées pour quatre hauteurs différentes d'encoches de papillon des gaz.

Les simulations réalisées permettront d'obtenir des informations sur les phénomènes se produisant lors de l'écoulement de l'air à travers différentes hauteurs du papillon des gaz.

Ansys (Fluent) est un logiciel courant de simulation d'écoulement de fluide39,40. La mécanique numérique des fluides permet la modélisation et l'analyse de problèmes d'écoulement complexes, permettant ainsi une meilleure compréhension des phénomènes analysés, et l'optimisation des solutions de conception existantes, y compris les vannes pneumatiques.

Les auteurs de l'article41 ont utilisé le logiciel Fluent pour étudier les flux internes dans un HPSV de type vanne coulissante. Dans l'article 42, une servovalve électropneumatique haute pression économe en énergie est présentée, où un min. a été réalisé en CFD. analyse du champ d'écoulement. Les simulations de dynamique des fluides computationnelle (CFD) sont utilisées par les auteurs de l'article43,44 pour étudier le débit dans les vannes de régulation et pour étudier les caractéristiques des vannes d'air45,46.

Les simulations numériques du débit du fluide à travers les vannes pneumatiques sont largement utilisées afin d'évaluer le concept et d'optimiser leur fonctionnement, ainsi que de comprendre les phénomènes physiques se produisant dans les solutions de conception individuelles. Ils permettent non seulement d'obtenir des informations sur les valeurs locales de grandeurs physiques pertinentes, comme par exemple la température ou la pression, mais également de déterminer la distribution des paramètres thermodynamiques dans le volume considéré (domaine fluide). En raison de la petite taille et de la construction de certaines vannes, l'utilisation des méthodes de mesure disponibles est parfois gênante ou nécessite l'utilisation de techniques de mesure avancées. Par conséquent, l'utilisation de méthodes numériques de dynamique des fluides est justifiée dans ce cas.

Les calculs numériques utilisant les méthodes CFD (Computational Fluid Dynamics) sont actuellement une technique de calcul en développement dynamique. Ces tests sont très utiles au stade de la conception initiale ou de l'optimisation et contribuent à réduire la quantité et les coûts de la recherche expérimentale.

L'utilisation de méthodes numériques de mécanique des fluides a permis d'étudier les phénomènes d'écoulement à l'intérieur d'un clapet anti-retour pneumatique à différentes tailles d'entrefers.

Aux fins de simulations informatiques, la géométrie tridimensionnelle simplifiée du papillon des gaz a été préparée dans l'environnement Ansys SpaceClaim, sur la base des dimensions géométriques réelles. La zone de calcul séparée a été discrétisée à l'aide d'éléments poly-hexcore dans Fluent Meshing (Fig. 7). L'utilisation d'éléments à parois multiples utilisés dans la technologie Mosaic assure une transition de haute qualité entre les mailles de différents types.

Grille de calcul — éléments polyédriques pour le cas numéro 1. [Ansys Fluent 2021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD) : https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Les analyses comparatives réalisées montrent47 que l'utilisation de la technologie Mosaic permet de réduire la taille du maillage de calcul, ce qui, combiné à l'augmentation de la qualité du maillage, contribue à la réduction du temps de calcul et permet une meilleure précision de la solution47. Dans les zones où de grands gradients se produisent, le maillage de volume fini a été localement compacté en utilisant la technique d'adaptation de maillage de gradient, où le paramètre fondamental était le gradient de vitesse du liquide en circulation.

Des informations détaillées sur la taille des mailles pour les cas analysés sont fournies dans le tableau 1.

L'étape suivante consistait à définir les conditions aux limites et à déterminer les paramètres du fluide traversant la vanne. Ensuite, les conditions de réalisation de l'analyse numérique ont été déterminées.

L'analyse du débit de fluide à travers la vanne a été réalisée à l'aide du logiciel Ansys Fluent. Le but de l'analyse est de déterminer les caractéristiques d'écoulement. Les essais ont été effectués pour différentes valeurs du débit massique et pour différentes hauteurs d'ouverture du papillon des gaz.

Le test d'indépendance sur les grilles de mailles a été réalisé pour trouver la bonne taille48. Les résultats sont présentés dans le tableau 2 pour le cas numéro 1, lorsque la hauteur de l'écart est \(3,95\times {10}^{-3}\) m. Les analyses ont été effectuées de manière similaire pour les autres cas considérés. Trois tailles de maille ont été testées pour déterminer l'effet sur la vitesse du fluide traversant la vanne.

Sur la base des résultats obtenus, il a été conclu que la solution est indépendante de la taille du maillage. Donc, pour la simulation numérique du premier cas analysé, une taille de grille de 3.105.134.

Définir les conditions aux limites qui permettront de décrire correctement le spectre des phénomènes d'écoulement se produisant dans le papillon des gaz analysé est une étape essentielle de la recherche en simulation. Il a été supposé que les phénomènes analysés sont des conditions de régime permanent. Le type de solveur basé sur la pression a été sélectionné. Les conditions aux limites ont été déterminées sur la base d'essais expérimentaux. La valeur de la pression d'alimentation a été supposée être de 350 kPa. La pression de fonctionnement a été fixée à 101,325 Pa.

Les valeurs du débit massique pour les hauteurs d'ouverture de chaque vanne sont présentées dans le tableau 3.

Un domaine de calcul tridimensionnel a été utilisé dans la simulation. Le milieu de travail, l'air, est décrit à l'aide du modèle des gaz parfaits. Une valeur constante de 300 K pour la température sur les parois et une viscosité constante du fluide ont été supposées. L'analyse numérique menée ne prend pas en compte les phénomènes liés au transfert de chaleur. Une condition aux limites d'entrée de débit massique a été attribuée à l'entrée et une condition de sortie de pression a été attribuée à la sortie. Le modèle de transport des contraintes de cisaillement k − ω SST, développé par Menter37, a été utilisé. Ce modèle combine les avantages des modèles couramment utilisés tels que le modèle à deux équations k − ε proposé par Launder-Sharm et le modèle à deux équations k − ω proposé par Wilcox37 et peut être utilisé pour modéliser des phénomènes liés à l'écoulement de fluide interne49,50. Des conditions sans glissement ont été supposées sur toutes les parois de la vanne.

Le modèle k − ω SST utilisé est maintenant un modèle de turbulence courant utilisé en analyse numérique. Il est basé sur le modèle standard k-ω et le modèle k − ε. Le modèle k − ω est bien adapté pour simuler l'écoulement dans la sous-couche visqueuse, tandis que le modèle k − ε donne une meilleure représentation du comportement de l'écoulement dans les régions éloignées de la paroi. Ces caractéristiques le rendent plus précis pour une plus large gamme de débits. Par conséquent, afin de modéliser l'écoulement interne à travers la soupape d'étranglement-retour, il a été décidé de choisir le modèle k − ω SST car il permet une modélisation plus précise des phénomènes à la fois à l'intérieur de la couche proche de la paroi ainsi qu'à l'extérieur de la couche proche de la paroi dans la région d'écoulement libre du fluide51,52.

Les résultats obtenus ont permis de déterminer la distribution des grandeurs physiques pertinentes telles que la pression statique, la vitesse du fluide traversant la vanne ou la distribution de vitesse vectorielle. Les résultats sont affichés sur le plan XY, coïncidant avec l'axe longitudinal de la valve.

La simulation numérique (CFD) permet d'étudier les phénomènes d'écoulement à l'intérieur d'un clapet anti-retour pneumatique, avec différentes tailles d'entrefers. Les hauteurs d'ouverture de soupape suivantes ont été modélisées : (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) \({h}_{4}= 0\). La figure 8 montre la distribution de vitesse pour différentes hauteurs d'ouverture de soupape.

Répartition de la vitesse pour différentes configurations de la hauteur d'ouverture de la vanne ; (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 2 021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD) : https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

Lorsque la section transversale diminue, la vitesse du fluide qui s'écoule augmente. Sur la base de l'analyse de la distribution des vitesses (Fig. 8), on peut voir que les vitesses les plus élevées sont obtenues dans les canaux d'étranglement entre l'aiguille et le corps de valve interne.

La figure 9 montre les vitesses d'écoulement d'air maximales obtenues dans la zone avec la plus petite section transversale (dans le canal d'étranglement), pour les quatre cas considérés. Dans le problème analysé, une augmentation linéaire de la vitesse dans l'entrefer peut être constatée pour les conditions de fonctionnement données de la vanne.

Vitesse maximale pour différentes configurations de la hauteur d'ouverture de la vanne pour : Où : 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.

A la première hauteur d'ouverture du papillon des gaz (Fig. 9), la vitesse maximale dans l'espace est de 66,0 m/s. A la deuxième hauteur d'ouverture du papillon des gaz, la valeur de la vitesse maximale du flux d'air est de 197,55 m/s. Pour la hauteur d'ouverture du troisième papillon des gaz, la valeur de la vitesse maximale est de 337,57 m/s. A la hauteur d'ouverture du quatrième papillon des gaz, la vitesse d'écoulement maximale est de 459,13 m/s.

La figure 10 montre les changements de pression statique se produisant dans le papillon des gaz pour différentes hauteurs d'ouverture de soupape.

Pression statique pour différentes configurations de la hauteur d'ouverture de la vanne. (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 2 021 R2 (ANSYS Academic Research Mechanical and CFD) : https://download.ansys.com/Current%20Release?releaseno=2021%20R2&operatingsystem=Windows%20x64].

La pression statique permet l'analyse des pertes de pression dans l'objet testé. En analysant les quatre cas de géométrie de vanne, on peut voir que la valeur maximale de la pression statique se produit dans le canal d'entrée de la vanne. Une chute soudaine de la pression statique est perceptible dans le canal d'étranglement entre l'aiguille et le corps de valve interne. La diminution de la pression statique s'accompagne d'une augmentation de la vitesse de l'air traversant l'espace (Fig. 10), ce qui est cohérent avec l'équation de Bernoulli.

Le tableau 4 résume les valeurs moyennes de la pression statique à l'entrée et à la sortie de la vanne analysée, et les pertes de pression statique qui se produisent dans l'écoulement entre la sortie et l'entrée de la vanne.

En analysant les résultats obtenus (tableau 4), on peut remarquer qu'avec le changement de taille du canal d'étranglement, qui est lié à l'augmentation du débit massique, la valeur de perte de charge augmente.

La figure 11 montre la distribution de vitesse vectorielle pour les quatre plages d'ouverture de soupape analysées. Les tourbillons produits sont marqués par des cercles sur les figures.

Vecteurs de vitesse pour les fentes d'une hauteur de (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].

Les vecteurs vitesse (Fig. 11a) permettent d'indiquer des zones caractérisées par une chute de pression causée par des perturbations dans l'écoulement. Lors de l'analyse des résultats obtenus, on peut remarquer qu'il existe des zones dans le champ d'écoulement avec des turbulences locales du fluide de travail circulant à travers la vanne. Vous pouvez également observer les zones où la couche limite est détachée. L'apparition de perturbations dans l'écoulement contribue à l'augmentation des pertes de charges. La formation de perturbations est influencée par la géométrie interne de la vanne – par conséquent, elle modifie la vitesse et la direction du flux d'air (par exemple, des arêtes vives).

Pour le deuxième cas d'ouverture de la valve (Fig. 11b), des perturbations asymétriques du débit ont été constatées. On peut observer des tourbillons formés à la fois dans la partie inférieure de la chambre de vanne et dans la partie supérieure de la chambre de vanne et dans la chambre d'entrée.

Lors de l'analyse de la Fig. 11c comme dans le cas précédent, des tourbillons dans la chambre de sortie ont été remarqués. De plus, ils sont également présents dans la partie supérieure de la chambre de soupape et au fond de la chambre de soupape.

Des perturbations visibles (Fig. 11d) de l'écoulement ont également été notées dans le quatrième cas examiné. Des tourbillons ont été observés uniquement dans le canal de drainage.

Lors de l'analyse de tous les cas considérés (Fig. 11a–d), on peut remarquer que les plus petites perturbations d'écoulement se produisent dans le quatrième cas. En revanche, les perturbations les plus importantes se produisent pour la deuxième hauteur d'ouverture de la vanne. L'analyse des résultats d'écoulement pour la vanne montre que les champs de vitesse élevée dans les quatre cas sont situés entre l'extérieur de l'aiguille et le canal d'étranglement.

La figure 12 montre le paramètre y + pour les quatre cas considérés.

Y + pour les cas suivants : (a) cas suivants : (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].

Le paramètre y + (fonction de paroi y +), lu pour la zone la plus importante du papillon des gaz (sur la surface extérieure de l'aiguille de commande), ne dépassait pas la valeur de 5. Dans les zones restantes, le paramètre y + était inférieur à 150.

Les résultats d'analyse de débit obtenus sont d'une importance fondamentale pour le fonctionnement du groupe de vannes situé dans le système de contrôle de mouvement des deux actionneurs pneumatiques dans un établissement de réadaptation.

La figure 9 montre les valeurs maximales de vitesse du flux d'air à travers la vanne, obtenues dans la plus petite section. Sur la base des résultats de l'analyse numérique, on peut conclure que le flux d'air atteint la vitesse transsonique pour l'ouverture de la vanne à la hauteur de \({h}_{3}=1,43\times {10}^{-3}\) m et la valeur supersonique lors de l'ouverture de la vanne à la hauteur \({h}_{4}=0\) m. Cela provoque l'étouffement du flux d'air dans cette zone. Dans un écoulement étranglé, la vitesse du flux d'air n'augmentera pas dans l'étranglement (la zone avec la plus petite surface d'écoulement), tandis que la chute de pression entre l'entrée et la sortie de la vanne est importante. Pour les autres cas analysés, lors de l'ouverture de la vanne à une hauteur \({h}_{1}=3,95\times {10}^{-3}\) m et \({h}_{2}=2,69\times {10}^{-3}\) m l'air traversant la vanne atteint des vitesses subsoniques. Il est recommandé de modifier la hauteur d'ouverture de la vanne pour le quatrième cas afin d'éviter un écoulement d'air à des vitesses supersoniques.

Les analyses de débit influencent la compréhension de l'interaction entre le débit de fluide-air (milieu compressible) et la géométrie de la vanne.

L'analyse du débit explique non seulement les mécanismes sous-jacents de la dynamique du débit de la vanne, mais fournit également des indications importantes sur les changements d'intensité du débit à différentes ouvertures de vanne.

Des tests numériques permettront une mise à l'échelle appropriée du groupe de vannes d'étranglement dans le système de contrôle du mouvement de deux entraînements dans le dispositif de rééducation, qui fera l'objet d'études ultérieures.

Un problème important est l'utilisation de vannes d'étranglement dans le système de commande des entraînements pneumatiques pour les appareils de rééducation. Le système de commande du mouvement simultané de deux actionneurs présenté dans l'article est utilisé dans un dispositif de rééducation pour exercices passifs des membres inférieurs. Un tel dispositif est destiné aux patients présentant des dysfonctionnements locomoteurs, principalement pour la rééducation des articulations du genou et de la hanche. Le mouvement simultané des deux membres inférieurs lors d'exercices passifs et actifs vise, entre autres, à développer et à maintenir une gamme complète de mouvements dans les articulations, à prévenir la formation de contractions musculaires et à prévenir les escarres. Cet appareil est également très utile pour la rééducation des patients qui ont développé une évolution sévère de la maladie causée par le virus Covid-19.

Le dispositif de rééducation simule le mouvement naturel des membres au moyen d'actionneurs. Le système de contrôle utilisé dans l'appareil permet le mouvement simultané de deux tiges de piston d'actionneurs pneumatiques, et la commande innovante régule le mouvement simultané de deux actionneurs.

Par conséquent, il est important de sélectionner un appareil de rééducation avec des vannes d'étranglement correctement calibrées pour le système de contrôle.

La simulation réalisée dans le logiciel Ansys Fluent a permis d'étudier les phénomènes d'écoulement à différentes tailles d'entrefers des clapets papillon. Les champs de vitesse et de pression ainsi que la distribution de vitesse vectorielle du fluide en écoulement ont été déterminés. Les résultats obtenus permettront une éventuelle modification de la géométrie du clapet anti-retour afin d'obtenir une répartition plus favorable des grandeurs physiques à différentes hauteurs des entrefers. La plus grande chute de pression statique a été observée dans la zone située derrière la fente du papillon des gaz, ce qui entraîne donc une augmentation de la vitesse de l'air circulant dans le canal des gaz. Cette situation s'applique à tous les cas analysés. Le débit massique et la valeur de perte de pression augmentent avec la taille du canal d'étranglement.

Les tests numériques effectués constituent la base de recherches ultérieures visant à déterminer la géométrie optimale de la vanne pneumatique, en utilisant la méthode Fluent Adjoint Solver, qui vise à réduire les pertes de charge dans l'écoulement.

Les ensembles de données utilisés et/ou analysés au cours de l'étude en cours sont disponibles auprès de l'auteur correspondant sur demande raisonnable.

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La Faculté de génie mécanique et aéronautique, Département de génie aérospatial, Université de technologie de Rzeszow, av. Powstańców Warszawy 8, 35-959, Rzeszów, Pologne

Marta Żyłka & Natalia Marszalek

Institut de génie des matériaux, Collège des sciences naturelles, Université de Rzeszow, Pigonia 1, 35-310, Rzeszów, Pologne

Wojciech Żyłka

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Conceptualisation : M.Ż., NM ; méthodologie : NM, M.Ż. ; logiciels : NM, M.Ż., W.Ż. ; expérience : M.Ż., NM ; validation : NM, M.Ż. ; enquête : NM, M.Ż., W.Ż ; ressources : M.Ż., NM ; écriture : M.Ż., NM, W.Ż. ; supervision : M.Ż., NM, W.Ż.

Correspondance à Marta Żyłka ou Natalia Marszałek.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Żyłka, M., Marszałek, N. & Żyłka, W. Simulation numérique d'un clapet anti-retour à papillon pneumatique à l'aide de la dynamique des fluides computationnelle (CFD). Sci Rep. 13, 2475 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-29457-4

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Reçu : 01 août 2022

Accepté : 06 février 2023

Publié: 11 février 2023

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

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